WO2008081409A2 - Vorrichtung zur behandlung von fest-/fluessiggemischen - Google Patents

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WO2008081409A2
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Schweiger, Martin
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the application relates to a device for the treatment of solid
  • biomass with at least one reactor for receiving the solid / liquid mixture, a plant for the production of energy from biomass, with at least one device for the treatment of biomass, and a plant and / or fuel, the biomass can be produced.
  • biomass is converted in a laboratory autoclave at 10 bar and 180 degrees within half a day in a coal-like substance or its precursors and water.
  • a device for the treatment of biogenic residual masses which comprises a cylindrical reactor in which food waste and the like are subjected to a temperature-pressure hydrolysis.
  • the reactor is designed as a loop reactor with a heatable jacket surface. By means of a pump, a flow is generated within the reactor, which ensures thorough mixing of the suspension.
  • the present application is based on the object to develop a method by the fuels, humus, carbonaceous materials and Maillard or Maillard-like reaction products with high efficiency from a solid-liquid mixture, especially on an industrial scale, economically can be produced.
  • a method according to the application provides that the carbonaceous solid
  • Liquid mixture and / or the starting materials before and / or during the treatment is additionally processed and / or the reaction, intermediate, by-products and / or end products are processed or processed.
  • targeted preparation or pretreatment of the solid-liquid mixture and further processing of the solid-liquid mixture during treatment bez-
  • the yield of fuels, humus, carbonaceous materials and / or Maillard or Maillard-like reaction products can be considerably increased in an economical manner, ie the reaction process and / or the workup of the reaction, intermediate, by-products and / or end products.
  • the method according to the application has a high efficiency.
  • alcoholic fermentation has only an estimated effective efficiency of three to five percent of the primary energy stored in the plants.
  • no or only very little CO 2 is released.
  • about half of the carbon is released again as CO 2 .
  • only a few substrates are suitable for economical operation of a biogas plant.
  • the reactors in which the treatment takes place have special features. So can the inner surface of the Reactor due to extreme conditions corrosion resistant or be provided with an appropriate coating.
  • a device for mixing the solid / liquid mixture may be present.
  • the application relates to a process for the production of factory and / or
  • the method is carried out semicontinuously or continuously.
  • the treatment of the solid-liquid mixture, in particular during the reaction process is not carried out discontinuously, that is to say in the batch process. Rather, temperature and pressure conditions are largely kept in the operating range for optimum reaction space utilization and to minimize the residence times.
  • starting materials and catalysts can be introduced into the reaction space with a time delay during the ongoing process, process water and unreacted starting materials and other supplied media removed and recycled as required (recycled) and impurities, reaction, intermediate, by-products and / or final products deducted become.
  • further process steps such as the processing and / or purification of process water, wastewater, exhaust air, reaction, intermediate, by-products and / or end products can be carried out continuously or at intervals.
  • Temperature to about 160 degrees Celsius, preferably between 160 and 300 degrees Celsius, more preferably between 185 and 225 degrees, set and / or that the temperature is controlled automatically.
  • Duration of treatment at least 2 hours, preferably 3 to 60 hours, more preferably 5 to 30 hours or 30 to 60 hours, especially 6 to 12 hours or 12 to 24 hours.
  • Treatment duration is selected depending on the nature of the starting materials and / or the solid-liquid mixture and / or the desired reaction product.
  • At least one starting material and / or the solid-liquid mixture is pretreated, preferably by dehydration, comminution, preincubation with excipients, mixing and / or preheating.
  • Part of the pre-treatment can also be incubation in an acidic environment or
  • Be medium for example at a pH which is less than 6, preferably less than 5, more preferably less than 4, in particular less than 3, and preferably less than 2.
  • the required duration of the step decreases with increasing size reduction and with decreasing pH value.
  • the incubation at acidic pH can be done after crushing.
  • the solid-liquid mixture before, during and / or after the treatment comminuted preferably chopped and / or ground
  • the particle size of the comminuted solid-liquid mixture should preferably be less than 10 cm, more preferably less than 1 cm, in particular less than 2 mm.
  • At least one catalyst with or without the addition of water and / or an aqueous solution can be added to the solid / liquid mixture or at least one of the starting materials before and / or during the treatment.
  • the catalyst may consist of at least one or more, different components. These then together form a catalyst mixture.
  • one component of the catalyst may be an acid.
  • This can be used advantageously a carboxylic acid and in particular a protic acid. It has proved advantageous to use a di- or tricarboxylic acid, and especially of tartaric acid or citric acid. Both citric acid and tartaric acid are crystalline and non-toxic. Both occur in nature in fruits (citric acid in citrus fruits such as lemons, tartaric acid in grapes).
  • it may also be, for example, an inorganic acid, preferably sulfuric acid.
  • the acid used as the catalyst component can also be used simultaneously to prepare the acidic medium for the incubation step.
  • the catalyst or the catalyst mixture may, in particular also in addition, comprise one or more metals and / or metal compounds.
  • metals and / or metal compounds There are preferably transition metals of subgroups Ia, IIa, IVa, Va, VIa, VIIa and Villa of the periodic table of elements such as iron, nickel, cobalt, copper, zinc, rhodium, palladium, platinum, silver, vanadium, chromium, tungsten, Molybdenum and / or titanium used, with iron has been found to be particularly advantageous.
  • oxides of these metals for example vanadium oxide (V 2 O 5 ), copper oxide (CuO), zinc oxide (ZnO) and / or chromium oxide (Cr 2 O 3 ).
  • metals of the main groups of the periodic system of the elements or their oxides for example alumina (Al 2 O 3 ) can in be used advantageously as a catalyst.
  • biocatalysts may also be used to accelerate the reaction of the solid-liquid mixture into fuels, carbonaceous materials, humic and / or Maillard- or Maillard-like reaction products .
  • enzymes, microorganisms (especially bacteria and / or fungi), plant cells, animal cells and / or cell extracts can be used in free and / or immobilized form. Due to the extreme conditions during the treatment of the solid-liquid mixture, biocatalysts can be used exclusively in the processing of the solid-liquid mixture, in particular the pretreatment, and / or the work-up of the reaction and / or by-products.
  • At least one of the starting materials and / or the solid-liquid mixture before and / or during the treatment is mixed, preferably by stirring, mixing, suspending and / or stirring.
  • one or more mixing device (s) in particular a combination of different mixing devices, preferably at least one liquid jet mixer, pump or nozzle, can be used for mixing. According to the application, preference is given to mixing devices which manage without moving parts in the reaction space.
  • Reaction products after treatment with a dryer or a combination of different drying methods preferably a convection or contact dryer, more preferably with a power and / or belt and / or fluidized bed dryer dried.
  • the device for solid-liquid separation may, for example, be at least one device for micro, ultra, nanofiltration and reverse osmosis processes or a combination of various aforementioned devices, preferably with ceramic filter elements and more preferably a rotary disk and / or a centrifugal membrane filter.
  • Treatment, processing and / or processing exhaust air is mechanically, chemically and / or purified biologically.
  • the application also relates to a process, in particular a continuous or semi-continuous process, for the industrial production of various reaction, intermediate, by-products and / or end products.
  • the reaction, intermediate, by-products and end-products may include, for example, fuels from peat to lignite to hard coal-like fuels, humus, Maillard or Maillard-like reaction products, carbonaceous materials such as insulating materials, nano-sponges, globules, fibers, cables , Activated carbon or sorbent coal, charcoal substitute, high density carbon products and materials and, in particular, starting materials for graphite and graphitic or like products as well as carbon fibers and starting materials for composite or fiber composites.
  • Solid-liquid mixture consists at least partially of biomass.
  • the basic principle of hydrothermal carbonization is used to first of all, in the efficient and extremely economical process according to the application, to depolymerize and hydrolyze moist biomass with the release of heat energy.
  • the polymerization of the resulting monomers leads to the formation of carbon-containing reaction products within a few hours. Desired reaction products are prepared depending on the reaction conditions. For example, after a shorter reaction time, among other things, first humus and in the further course of reaction fuels with increasing carbon content, which are suitable for energy.
  • By-products and / or by-products of the process according to the application including the production of fuels from peat, lignite to coal-like fuels, humus, Maillard or Maillard-like reaction products, carbonaceous materials such as insulating materials, nano-sponges, - globules, fibers, cables, active or sorption carbon, charcoal substitute, high-density carbon products and materials and, in particular, starting materials for graphite and graphite-containing or similar products, and carbon fibers and starting materials for composites or fiber composites.
  • the process can also be a precursor for the production of
  • Energy from biomass in which a fuel is produced by the method according to the application and this fuel is then conditioned to generate energy.
  • the conditioning may consist, for example, of a production of pellets or briquettes of pulverulent or humus-like fuel.
  • this method is then provided to use the conditioned fuel for energy production and in particular to burn.
  • a method for the production of various Energy forms are carried out including heat energy and / or electric current, preferably a combination thereof using the fuel produced according to the application.
  • various combinations for producing different forms of energy from different renewable energy sources including other solid, liquid and gaseous fuels from renewable resources, fossil fuels, hydropower, solar and / or wind energy and various forms of storage of the aforementioned energy sources and systems, and using the application according to the application produced fuel can be used.
  • the application further relates to a method for producing energy, preferably those using a steam and / or gas turbine, including those methods using the fuel according to the application, in combination with storable types of energy through wind power, in particular Compressed air and particularly preferably the dispatchable wind power system (DWPS).
  • DWPS dispatchable wind power system
  • the application further relates to the use of a fuel produced according to the application for the production of energy from biomass.
  • the application also provides for a device that provides efficient treatment of
  • Reactor consists of a cylindrical body and / or pressure-resistant.
  • Reactor has a conical bottom which forms an angle of at most 45 degrees, preferably less than 40 degrees, more preferably less than 35 degrees with the reactor axis.
  • the interior of the reactor in particular the bottom or wall parts, made of heat and corrosion resistant and water-repellent material, for example of coated metal, in particular precious metal or ceramic materials.
  • the interior of the reactor in particular in Boden whichhopper wall area, and fittings and other coming into contact with the reaction mixture parts are completely or partially surface-treated and / or coated with a coating material that prevents or reduces caking or deposits of components of the reaction mixture.
  • the coating material may preferably be corrosion-resistant, low-wear and / or water-repellent materials, in particular metallic or ceramic materials and alloys, preferably of chromium, nickel, molybdenum, Titanium, aluminum, niobium and from the materials silicon, iron, cobalt, tungsten, boron and carbon, and particularly preferably of titanium-aluminum compounds include.
  • the coating material is applied by means of a coating method, preferably by plating, particularly preferably by a flame spraying method such as, for example, the high-velocity oxy-fuel (HVOF) method.
  • HVOF high-velocity oxy-fuel
  • This membrane part can be interspersed with holes at intervals of less than 10 mm, preferably less than 6 mm, particularly preferably less than 4 mm. If the membrane part is formed as a sheet, it can be called a membrane sheet due to the holes. It can be provided in the reactor several membrane parts.
  • Diameter of the holes in the membrane part is less than 400 ⁇ m, preferably less than 100 ⁇ m, particularly preferably less than 35 ⁇ m.
  • Holes are funnel-shaped in the membrane part.
  • the membrane part can be connected to the reactor wall in such a way that the cavity is subdivided into separate regions.
  • at least one area of the cavity is provided with an inlet opening and at least one other area of the cavity is provided with an outlet opening.
  • the connection between the membrane part and the reactor wall can be done for example by spot or line welding, wherein the non-welded areas can then be separated by pressing a hydraulic fluid from each other, so that between the inlet and outlet opening a line is formed by the example a cooling liquid can be passed as described in US-A-4,700,445.
  • the reactor wall can thus be used simultaneously as a heat exchanger.
  • Reactor wall is designed double-walled, wherein between an inner wall layer and an outer wall layer at least one cavity is arranged.
  • the two wall layers can be connected to each other such that the cavity is divided into separate regions. At least a portion of the cavity may then preferably be provided with an inlet opening and at least one other area of the cavity with an outlet opening.
  • the Connection between the two wall layers can be done, for example, by spot or line welding, wherein the non-welded together areas can then be separated by pressing a hydraulic fluid, so that between the inlet and outlet opening a line is formed by the example, a coolant or a thermal oil can be passed as described in US-A-4,700,445.
  • a double-walled reactor wall can be used simultaneously as a heat exchanger.
  • Reactor is a cascade, tube, circulation, loop and / or stirred reactor, and / or preferably a membrane and / or fluidized bed reactor.
  • at least one reactor or a combination of different reactors has at least one property and preferably combinations of different properties of a cascade, tubular, circulation reactor and preferably a loop or stirred reactor or more preferably a membrane or a fluidized bed reactor.
  • at least one reactor comprises at least one membrane part and / or at least one device for producing a circulating fluidized bed.
  • the Reactor is provided with a Temper michssystem, which is preferably connected to at least one control unit.
  • the tempering system can advantageously comprise at least one screw-in heating element, at least one heating and cooling coil, at least one half-tube coil welded onto the reactor wall, at least one heat exchange tube or plate and / or at least one membrane part or perforated bottom and / or wall part.
  • the tempering system may also include a double wall or double tube construction of the reactor.
  • all devices through which media flow in the reactor including the perforated membrane parts, liquid jet mixers, pumps and nozzles, can be part of the tempering system.
  • the application also provides for facilities that have a substantially non-mechanical layout, ie. H. include no or as few mechanical and / or moving parts.
  • the Device is a mixing device for mixing, stirring, stirring up the reactor contents.
  • the reactor can therefore also be equipped with a mixing, stirring, fluidizing and / or cleaning device.
  • mechanical stirring and mixing systems can be used with and / or be used without moving parts.
  • Mixing device is equipped without moving parts and, for example, comprises at least one liquid jet mixer, at least one liquid pump and / or at least one nozzle.
  • Mixing device in particular the devices in the intake, is designed such that the turbulence occurring in this area and shear stresses crush and disagglomerate the solids.
  • Device is a crushing device, in particular for comminuting the solid ingredients in the reactor, which preferably comprises at least one mill and / or at least one shredder.
  • Device is a drying device, which preferably at least one convection or contact dryer, preferably a power and / or belt dryer comprises.
  • Process water treatment takes place during the ongoing process.
  • the device is then preferably a process water treatment plant, which preferably comprises at least one sieve, a filter, a hydrocyclone, a centrifuge or a force-field-assisted separating device.
  • Process water treatment essentially serves to separate solids from the reaction mixture.
  • the process water treatment plant comprises at least one process water reservoir and / or at least one solid-liquid separation device.
  • the device for processing process water comprises at least one screen, filter, centrifuge, hydrocyclone unit, a force field-assisted separating device or a combination thereof.
  • the process water treatment plant can consist of a combination of different or the same separation devices.
  • the process water treatment plant can also have at least one filter system, in particular a rotary disk filter, preferably with a ceramic disk.
  • Device is a biological wastewater treatment plant, which preferably comprises at least one bioreactor, preferably a biomembrane reactor.
  • the bioreactor can have at least one loop rectifier.
  • Loop rector at least one nozzle for mixing the gaseous and liquid Phase includes.
  • Loop reactor comprises a tube in which the flow is from top to bottom.
  • Device is an air cleaning device, which preferably comprises at least one device for cleaning the process and / or exhaust air, in particular an air filter.
  • Fuels, carbonaceous materials and materials, humus and / or Maillard or Maillard-like reaction products from biomass may also be provided.
  • the application also provides a plant which enables an efficient production of energy from a fuel of biomass on an industrial scale, with at least one arrangement for energy production being provided.
  • the arrangement for generating energy comprises a combustion plant for utilization of a solid fuel from biomass, in which the fuels produced in the device according to the application for the treatment of biomass directly burned and for the production of combustion gases and Steam can be used.
  • the incinerator may be coupled to a turbine and a generator so that electrical power can be generated from the gases produced in the incinerator and the water vapor.
  • the plant comprises at least one reactor of the plant, which is designed for temperatures of at least 100 degrees Celsius and at least a pressure of over 5 bar.
  • a biomass fuel is used in the plant to operate it, which is produced by a process comprising at least the following steps: treatment of the biomass at a temperature of over 100 degrees Celsius and a pressure of over 5 bar for a treatment period of at least 1 hour and processing of the biomass and / or processing of the reaction, intermediate, by-products and / or end products.
  • the arrangement for power generation can use a pellet stove or a power plant
  • the arrangement for power generation may include a carbon fuel cell.
  • Device for the treatment of biomass at least one reactor for receiving the biomass and at least one device for processing the biomass and / or processing of the reaction products and / or by-products.
  • Reactor a tubular reactor, circulation reactor and particularly advantageously a loop reactor or stirred reactor, and / or preferably a membrane and / or fluidized bed reactor.
  • at least one reactor comprises at least one membrane part and / or at least one device for producing a circulating fluidized bed.
  • the reactor is designed for temperatures of at least 100 degrees Celsius and at least a pressure of more than 5 bar.
  • reactors In order to increase the capacity or the throughput of the system according to the application, several reactors can be provided for receiving and treating the biomass. These can then be connected in series.
  • the reactor is equipped with a
  • Tempering system provided, which can be connected to at least one control unit.
  • the tempering system may comprise at least one screw-in heating element, at least one heating and cooling coil, at least one half-pipe coil welded onto the reactor wall, and / or at least one heat exchange pipe or plate.
  • the tempering system may also include a double wall or double tube construction of the reactor.
  • Device is designed as a mixing device for mixing, stirring, stirring up the reactor contents.
  • the reactor can therefore also be equipped with a mixing, stirring, fluidizing and / or cleaning device.
  • the device is a crushing device, in particular for crushing the solid ingredients in the reactor, which preferably comprises at least one mill and / or at least one shredder.
  • the device is designed as a drying device, preferably at least one convection or contact dryer, preferably a power and / or belt dryer comprises.
  • the process water treatment takes place during the ongoing process.
  • the Device may then be a process water treatment plant, which may comprise at least one sieve, a filter, a hydrocyclone, a centrifuge or a force-field assisted separating device.
  • the process water treatment can essentially serve to separate solids from the reaction mixture.
  • the process water treatment plant comprises at least one process water reservoir and / or at least one solid-liquid separation device.
  • the device for processing process water comprises at least one screen, filter, centrifuge, hydrocyclone unit, a kraftfelduntermontes separator or a combination thereof.
  • the process water treatment plant can consist of a combination of different or the same separation devices.
  • the process water treatment plant may also have at least one filter system, in particular with ceramic discs and also with a rotary disc filter and / or with a Zentrifugalmembranfilter.
  • a device is a biological, physical or water treatment plant or a combination thereof, which preferably comprises at least one solid-liquid separation, a bioreactor, preferably a biomembrane reactor, a reverse osmosis, microfiltration, ultrafiltration and / or a wet oxidation.
  • the bioreactor preferably comprises at least one loop rectifier.
  • Air purification device which preferably comprises at least one device for cleaning the process and / or exhaust air, in particular an air filter.
  • the application also provides a factory and / or fuel available, which is inexpensive to produce and has improved properties compared to the known materials or fuels.
  • this object is achieved by a plant and / or fuel which has been produced from biomass and which has a carbon content which is 1 to 300 percent higher compared to the biomass, based on the percentage by mass of the elements (dry matter).
  • the plant and / or fuel according to the application comprises fuels from peat, via lignite, to hard coal-like fuels, humus, Maillard or Maillard-like reaction products, as well as carbon-containing materials such as insulating materials, nano sponges, globules, fibers, cables, pure -, pure and ultra-carbon, or active or sorption coal -like substances, charcoal substitute, high-density carbon products and materials and in particular also starting materials for graphite and graphite-like or -like Products as well as carbon fibers and starting materials for composite or fiber composites.
  • the plant and / or fuel according to the application has a carbon content in
  • the hydrogen content of the plant and / or fuel compared to the biomass by 1 to 300 percent, even 5 to 200 percent, and also by 20 to 100 percent in each case based on the percentage mass fraction the elements (dry matter) reduced.
  • the oxygen content of the plant and / or fuel compared to the starting material by 1 to 300 percent, even by 5 to 200 percent, and also by 15 to 100 percent in each case based on the percentage Mass fraction of elements (dry matter) reduced.
  • the nitrogen content of the plant and / or fuel compared to the starting material by 1 to 300 percent, preferably 5 to 200 percent, more preferably by 15 to 100 percent in each case based on the percentage mass fraction of Elements (dry matter) reduced.
  • the plant and / or fuel according to the application can have at least or more than
  • the plant and / or fuel according to the application can have significantly more favorable and environmentally friendly combustion properties, for example due to reduced proportions of ash, lower chlorine, nitrate, sulfur - and heavy metal content and lower emissions of dust, particulate matter and gaseous pollutants including nitrogen oxides and sulfur oxides.
  • the plant and / or fuel according to the application can also be compared to Biomass or alternative solid fossil or biomass fuels also have a higher reactivity and a lower autoignition temperature.
  • the plant and / or fuel according to the application can be comminuted with less expenditure of energy than solid fossil fuels with a comparable calorific value or carbon content.
  • a large surface area results with a small particle size of the plant and / or fuel according to the application, in particular a particle size of about 2 nanometers to 50 micrometers, even below one micrometer and also below 200 nanometers.
  • the plant and / or fuel according to the application can then be dried well due to the small particle size and its large surface area.
  • the plant and / or fuel according to the application contains Maillard- or Maillard-like reaction products.
  • Biomass fuel produced by a process comprising at least the following steps: treatment of the biomass at a temperature of about 100 degrees Celsius and a pressure of over 5 bar for a treatment time of at least 1 hour and processing the biomass and / or processing of the reaction , Intermediate, secondary and / or end products.
  • the temperature can reach over 160 degrees Celsius, even between 160 and 300 degrees
  • the pressure can be set to at least 7 bar, also between 10 and 34 bar, and also between 10 and 17 bar, 18 and 26 bar or 27 and 34 bar.
  • the duration of treatment may be at least 2 hours, preferably 3 to 60 hours, even 5 to 30 hours or 31 to 60 hours, especially 6 to 12 hours or 13 to 24 hours.
  • Processes include fuels from peat through lignite to coal-like fuels, humus, Maillard or Maillard-like reaction products, as well as carbonaceous materials such as insulating materials, nano sponges, globules, fibers, cables, active or sorption carbon, charcoal substitute, high density carbon products, and -Materials and in particular also starting materials for graphite and graphite-containing or -like products as well as carbon fibers and starting materials for composite or fiber composites.
  • carbonaceous materials such as insulating materials, nano sponges, globules, fibers, cables, active or sorption carbon, charcoal substitute, high density carbon products, and -Materials and in particular also starting materials for graphite and graphite-containing or -like products as well as carbon fibers and starting materials for composite or fiber composites.
  • the application further relates to the use of the product prepared according to the application Plant and / or fuel for the production of energy from biomass.
  • biomass comprises renewable raw materials, which are available as domestic energy sources in the long term, as well as all liquid and solid organic substances and products of biological and biochemical processes and their transformation products, which have a sufficiently high carbon content for this process and otherwise can be processed in their composition and nature to economically usable reaction, intermediate, secondary and end products by the method according to the application including fuels.
  • the starting materials include carbohydrates, sugars and starches, agricultural and forestry products, and specially grown energy crops (fast-growing tree species, reed grasses, cereal crops, etc.), soybeans, sugarcane and crop straw, as well as biogenic residues, waste and by-products, plants and plant residues of other origin (roadside greenery, landscaped property, etc.), agricultural waste including straw, sugar cane leaves, sprouting cereals, unsaleable lots of agricultural products such as potatoes or sugar beet, spoiled silage and other leftover food, grass clippings, cereal straw, beet leaves, sugar cane leaves, carbonaceous residues and waste including Organic waste, high-calorific fractions of household and commercial waste (residual waste), sewage sludge, various types of wood and classes including forest wood, timber, pallets, old furniture, sawdust, leftovers and A waste from the food industry, including catering waste, garbage, waste and paper and pulp, textiles, in particular of natural fibers and natural polymers and animal excreta, including man
  • the meaning of the application is understood to mean all the effects on the solid-liquid mixture which serve to convert the solid-liquid mixture into the reaction products, in particular the supply of energy for initiating and maintaining the reaction, including the treatment of the solid-liquid mixture at a temperature of over 100 degrees Celsius and a pressure of over 5 bar.
  • Registration is the processing of the starting materials, reaction and / or intermediates in different steps before and after the chemical conversion process. Processing includes all steps, processes and actions on the reactants including pre-treatment and / or post-treatment.
  • Pretreatment is understood to mean all the effects that end up of the filling operation of the reaction space and the beginning of the supply of energy to initiate the reaction reaction to act on the solid-liquid mixture.
  • the pre-treatment also includes preheating of the starting materials and comminution with predominant, ie more than two thirds of the constituents of the reaction mixture, particle size of less than 10 mm inside or outside the reaction space.
  • solid-liquid mixtures are all suspensions, dispersions and other disperse systems, including liquid-containing solids, in particular biomass.
  • the method according to the application finds particular application for solid-liquid mixtures which, during the course of the reaction, lead, physically or chemically, to an increase in the content of the liquid phase or to solvents and / or to a physical or chemical modification of the solid which has an improved solid content. Allow liquid separation or altered ratios with higher solids content.
  • Starting materials in this context are liquid-containing or non-liquid-containing solids which are used to prepare the solid-liquid mixture.
  • the application is to be understood as the production of reaction, intermediate, secondary and end products on a pilot scale and / or industrial scale, in which at least one criterion or two or more of the criteria listed below are fulfilled:
  • the temperature, in particular in at least one pressure vessel, reactor or plant component is continuously above 40 to 90 degrees Celsius, preferably from 60 to 70 degrees Celsius and / or above the boiling temperatures of the process water at least two reaction cycles bar absolute pressure, so that a longer immediate and inconsequential händischer contact with the directly in contact with the reaction mixture container wall of more than a minute only with aids, insulating materials or additional devices is possible.
  • Plant component continuously above at least two reaction cycles above a bar absolute pressure.
  • At least two containers, including at least one reactor, are interconnected in a manner connected, that a transport, pressure equalization or the storage of compressed media can be realized.
  • the total volume of the containers in which this processing takes place which are at the same time fixed components of the plants, amounts to at least 500 liters, whereby at least one of these containers can be moved not only manually but only with additional aids.
  • a pretreated carbonaceous solid-liquid mixture and / or different types of starting materials, biomass or carbon compounds, in particular of different nature and consistency, are used during a reaction cycle.
  • the reaction mixture is treated within a cohesive process, especially within a plant.
  • the starting materials or the reaction mixture are set in motion by introduction of kinetic energy, in particular by at least one stirring or mixing system or a combination of stirring or mixing systems of any kind, preferably with the participation of at least one non-mechanical stirring or mixing system, wherein when using a single system, this has no magnetic coupling with only one shaft and at the same time is not operated electrically.
  • the starting materials or the reaction mixture thermal energy is added and / or removed, in particular using at least one tempering system or a combination of different systems or devices, wherein when using a single system, it is preferably not a commercial oven and / or does not have any wall-to-wall heat transfer through a hand-held heated jacketed vessel that is electrically powered.
  • Tank is understood to mean an upwardly open or closed object having in its interior a cavity intended in particular for separating its contents from its environment.
  • reactor refers in particular to a container in which decisive reaction steps take place. Decisive reaction steps are, in particular, the steps to be understood, which for the most part take place, for example, in a temperature and pressure range which, on average, must be at least 10 to 30 percent of the starting materials in one of the reaction, intermediate, secondary and converting end products.
  • Reaction spaces or pressure vessel spaces are defined by the presence of spatial areas even within only one reaction or pressure vessel space, in which measurable divergent reaction conditions prevail.
  • a different reaction condition comes about through a constructive, mechanical, flow and / or phase-related, chemical, electrical, or electrochemical or other kind of effect.
  • the device used for this purpose is usually via an electrically operated stirring or mixing system with a single shaft with magnetic coupling and a wall heat transfer of a pressure-loaded smooth inside of the outer reactor wall by a few handles separable heated jacket vessel, which is electrically operated , an autoclave for laboratory use.
  • the reaction cycle, cycle or reaction is understood to be the duration of a single reaction which starts with the introduction of the starting materials into the reaction space and the introduction of energy to start the reaction. One cycle lasts from the start of the reaction process to the presence of the desired reaction product in the reaction mixture without aftertreatment or conditioning or until the end of the reaction process.
  • Stirring or mixing systems include devices which transfer the energy mechanically or by means of ultrasound, due to flow, thermally or by design, to the reaction mixture and thereby cause the reactor contents to move by agitation or mixing. This also includes the movement of the reaction mixture by means of devices such as pumps, liquid jet mixers, nozzles and mechanical and thermal mixers or the guidance of the reaction mixture along pressure gradients.
  • An installation consists of at least two devices or facilities for
  • At least two containers of which at least one reactor, can be connected to one another in such a way that pressure equalization or the storage of compressed media can be realized.
  • a fixed component of the system is a device or a container, if in the event of failure of this component, the efficiency of the method is particularly limited in economic terms by at least two, preferably by five and more preferably by at least ten percent.
  • a system is shared when devices or devices are interconnected with each other or through line connections or spatially by paths involving the exchange of source, intermediate, by-products, reaction products and other reactants within a radius of 50 km.
  • the onset or onset of the reaction or reaction process is characterized by the achievement of at least one target parameter of the reaction regime including pressure or temperature at which the hydrothermal carbonation reaction may take place over a period of at least one hour.
  • the end of the reaction process is characterized by the continuous leaving of at least one of the target parameters of the reaction regime before the evacuation of the reaction space.
  • Registration are all solid, liquid and gaseous substances, regardless of their length of stay in the reaction chamber under operating conditions (pressure greater than 5 bar, temperature greater than 100 degrees) or have found.
  • Solid / liquid mixtures within the meaning of the application are all suspensions, dispersions and other disperse systems, including liquid-containing solids, in particular biomass.
  • the device according to the application is found particular application for solid-liquid mixtures which lead during the course of the reaction physically or chemically to increase the content of the liquid phase or solvents and / or physical or chemical modification of the solid, the improved solid-liquid separation or allow changed conditions with higher solids content.
  • Suspensions and dispersions are both heterogeneous solid-liquid mixtures.
  • suspension is meant a heterogeneous (immiscible) mixture of a liquid and a solid.
  • a suspension has at least one solid phase and at least one liquid phase.
  • To disperse systems i. binary mixtures of small particles and a continuous dispersion medium include colloidal dispersions, micelles, vesicles, emulsions, gels, and the like. Aerosols such as paints, emulsions and foams.
  • Maillard-like reaction products are compounds which are intermediates, by-products, end products or reaction partners of Maillard reaction products and may have similar chemical, physical or biological properties. These compounds include, for example, the Advanced Glycation End Products (AGEs), which are the result of rearrangement of the primary Amadori products, and continue to be the end products of the Maillard reaction that Advanced Glycation End Products (AGE) react with. Through rearrangement and polymerization, the AGEs can form cross-links with other proteins. Due to the pathogenesis, there are many different and complex forms of AGEs, with N ⁇ - (carboxymethyl) lysine (CML), furosine and pentosidine have so far been studied most intensively.
  • CML carboxymethyl
  • polytetrafluoroethylene (PTFE) -like fabrics are meant materials and compounds of similar, related or unrelated classes having at least one or more properties of polytetrafluoroethylene such as, for example, inertness, very low coefficient of friction, very low refractive index, high heat resistance, low adhesion of surface soiling or smooth surface.
  • Fuels are substances that are used to generate energy and are converted into energy, for example by means of thermal, chemical, electrical or other processes.
  • Materials are substances that are further processed into a product by further processing, treatment or conditioning or are incorporated into a final product as work items.
  • the depolymerization phase is initiated.
  • swelling reactions occur initially, especially in biomasses with a high carbohydrate content.
  • water is stored between polysaccharides in the cell wall.
  • colloidal structures which dissolve again in the further course of the depolymerization phase, also occurs temporarily.
  • Depolymerization Phaser represent the original structural proteins are dissolved, which consist in particular in the case of plant biomass mainly from polymerized structural proteins cellulose, hemicellulose and lignin. There arise mono- and oligomeric carbon compounds.
  • hydrolysis that is, it comes to the cleavage of chemical compounds by reaction with water.
  • the heat energy release increases and a crude oil-like substance has formed.
  • the monomerized and uncrosslinked carbon compounds are restructured and crosslinked. Agglomerates form macroscopically, which lean against the original coarse structures of the starting materials, but have lost the inner cohesion with regard to the superordinate structure, and thus also their fiberiness and strength.
  • the newly formed structures which have a higher brittleness and porosity, consist of small particles with a diameter of a few hundred micrometers up to 5 nanometers and smaller in intermediate as well as end stages.
  • New carbon compounds are formed, similar to those in natural ones Coal. Among other things, they consist of various carbon compounds as well as terpene derivatives whose carbon content increases and whose hydrogen and oxygen content decreases in relation to the percentage by mass of the elements (dry matter).
  • Maillard Reaction products in the liquid and solid phases of the reaction products.
  • reaction product such as purity, shape, structure, density, strength, particle size, surface structure, composition, combustion properties, calorific value and energy content are dependent on the process or reaction conditions, ie on the parameters required for the control of the method according to the application , that is, responsible for the litigation.
  • the reaction or process behavior is influenced, inter alia, by the following factors: [121] 1. Composition and properties of the starting materials, including density,
  • Catalysts Selection, composition, concentrations, particle size, mixing ratio and delivery times.
  • the reaction can be accelerated and directed by the addition of catalysts or catalyst mixtures at later times in the course of the reaction. This can influence the properties of the reaction product.
  • An essential role in the shaping and structure of the final product is played by the particle size of the metallic catalyst.
  • the reaction rate is essentially determined by the strength of the acid (p ⁇ s value).
  • Process water Concentration of alkali salts, acids, elements such as Chlorine, sulfur and their salts, and metals and minerals, including phosphorus and nitrate compounds. Process water purification process during and outside the ongoing process.
  • conditioning 21 Energy production, in particular by thermal utilization.
  • the starting materials as well as the reaction, intermediate, by-products and / or end products are processed in various steps before and after the chemical conversion process.
  • the processing steps are aimed at material conversion on an industrial or pilot plant scale.
  • processing means more than manual disassembly or manual shredding with a pair of scissors.
  • the processing of the biomass and / or workup of the reaction products and / or by-products is the method according to the application of an electrically operated stirring or mixing system with a single shaft with magnetic coupling and a wall heat transfer of a pressure-loaded smooth inside of the outer reactor wall by a few Handles separable heated jacket vessel, which is operated electrically, addition. It also includes the criteria for the stirring or mixing system and / or the tempering system mentioned under points 9 and 10 of the semicontinuous or continuous process.
  • the biomass can be comminuted already before storage and especially before the actual conversion process, in particular before and / or after the introduction into the reaction space.
  • the comminution takes place in particular by mechanical means, preferably by shredding, and particularly preferably by means of a device for grinding, for example, a grist mill.
  • a device for grinding for example, a grist mill.
  • the particle size has an influence on the course of the reaction. Because the smaller the particle size the larger the surface of the starting materials. The larger the surface of the reactants, the faster the chemical reaction. Therefore, the particle size of the crushed biomass can be less than 10 cm, even less than 1 cm and also less than 2 mm.
  • the energy, time and material costs involved in the comminution process depend on the process control and, in particular, the nature of the starting material, particle size and residence time.
  • Part of the pretreatment is also the incubation in an acid medium or medium at a pH which is less than 6, even less than 5, and also less than 4, in particular less than 3 and, at the same time, less than 2.
  • the required duration of this step decreases with increasing size reduction and with decreasing pH value.
  • the incubation at acidic pH can be carried out, for example, after comminution.
  • Impurities are separated from the biomass. Processes and processes are used as they are established in the treatment of biomass and organic waste, for example in biogas plants.
  • a catalyst may be added with or without the addition of water and / or in an aqueous solution.
  • the catalyst may consist of at least one or more, different components. These then together form a catalyst mixture.
  • one component of the catalyst may be an acid.
  • the reaction process is decisively influenced by selection, composition, concentrations, particle size, mixing ratio, feed times of the catalysts. These catalyst-dependent factors therefore have a great influence on the shape, shape and properties of the final product.
  • An essential role in the shaping and structure of the final product is played by the particle size of the metallic catalyst.
  • the reaction rate is also determined by the strength of the acid (p ⁇ value).
  • the probability of formation of uniform fiber-like nanostructures increases.
  • the carbohydrate content and the particle size and, if possible, uniform particle size of the starting material play a role in steering the course of the reaction for the production of defined nanostructures.
  • the reaction can be accelerated and directed by the time of feeding of catalysts or catalyst mixtures. Also, a feed at later times in the course of the reaction may be useful depending on the desired end product.
  • acids and inorganic acids are used, preferably mineral acids, particularly preferably strong acids, ie acids with the lowest possible pK s .
  • the acids used and their reaction products should not be toxic and have a minimal corrosive effect. Furthermore, they should as far as possible no longer be detectable in the reaction product and it should be possible to purify the material components as easily as possible.
  • Sulfuric acid which is also used as a food additive, meets most requirements and is therefore particularly suitable. It can also be combined with different acids.
  • carboxylic acids and in particular protic acids are used. Particularly advantageous is the use of a di- or tricarboxylic acid, and especially of tartaric acid or citric acid has been found.
  • citric acid and tartaric acid are crystalline and non-toxic. Both occur in nature in fruits (citric acid in citrus fruits such as lemons, tartaric acid in grapes).
  • the acid used as the catalyst component can also be used simultaneously to prepare the acidic medium for the incubation step.
  • the concentration of the acid depends inter alia on the pK s value and is approximately 0, 1 based on the volume to 3 percent 0.6 to 2 percent, and more preferably 0.3 to 1 percent.
  • Pre-incubation of the starting material with acid shortens the reaction time. The longer the pre-incubation, the stronger the acid and the higher the concentration, the shorter the reaction time.
  • the catalyst or the catalyst mixture may, in particular also in addition, comprise one or more metals.
  • transition metals such as iron, nickel, cobalt, iron, copper, chromium, tungsten, molybdenum or titanium are used, with iron has been found to be particularly advantageous.
  • the addition of the catalyst can be carried out before introduction into the reactor but also at other times during the process. Furthermore, different catalyst mixtures or compositions can be fed to the reaction mixture at different times.
  • the biomass is thoroughly mixed with the catalyst or catalyst mixture.
  • the catalyst then forms a reaction mixture together with the biomass.
  • the mixing process takes place within a reactor.
  • the compression of the reaction mixture can be carried out in one or more steps both outside and inside a reactor. A high compression is advantageous, which in turn means a better utilization of the reaction space.
  • the degree of compaction depends on the ability to pump into a reactor, the desired reaction product and the process control.
  • the reaction mixture can also be introduced into a reactor after the pretreatment, for example.
  • preheating may take place prior to introduction of reaction components into the pressure vessel space. All reaction partners can be preheated. Among the starting materials, all but especially the biomass can be heated up to about 60 - 90 degrees Celsius. The preheating is done for example by supplying heat energy and in particular by adding almost boiling process water, preheated biomass suspension or other water at about one bar absolute pressure or by supplying water or process steam or other thermal energy sources. Alternatively or additionally, heat energy from heat exchanger processes can be used for this purpose.
  • the reaction time is between one to 60 hours, preferably between three and 40 hours, more preferably between five and 18 hours.
  • the reaction time is considered expired or the reaction is complete when no significant enthalpy is released.
  • Minimal pretreatment and / or the omission of individual pretreatment steps can increase the reaction time to over 60 hours.
  • the reaction time is dependent in particular on the composition and the properties of the particular starting material. The larger the surface, the smaller the particle size, the smaller the Lignin or cellulose content and the higher the carbohydrate content, the faster the heat energy is released in the depolymerization phase and the faster the stabilization phase is achieved and the reaction or residence time is reduced.
  • reaction time of the respective starting material the later this can be introduced, for example, into an already started reaction in the reactor.
  • a shorter reaction time is also achieved with relatively high levels of fat and non-plant, non-crosslinked, for example, animal or bacterial proteins.
  • the expiration of the heat energy release during the reaction process is a sign of completion of the conversion process.
  • temperatures of up to 300 degrees Celsius can be generated. However, temperatures between 185 to 205 degrees Celsius and in particular to 215 degrees Celsius and particularly preferably to 225 degrees Celsius are advantageous.
  • a pressure is built up under exclusion of air, for example between 7 and 90 bar.
  • a pressure between 11 and 18 bar, also between 18 and 26 bar, and also between 26 and 34 bar.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a reactor according to the application with further components of a system according to the application.
  • FIG. 2 shows a detail of a wall region of the reactor according to the application according to FIG. 1.
  • the device according to the application comprises a reactor which can be designed differently depending on the processes occurring therein, the amount and type of solids used and / or the desired reaction product.
  • At least one of the reactors according to the application can be, for example, a cascade, pipe, circulation, loop, membrane, fluidized bed and / or stirred tank or stirred tank reactor or have individual properties or a combination of different properties of these reactors.
  • the fluidized bed of the reactor is preferably a circulating one.
  • the reactor according to the application or a combination of the various reactors can be used for different treatment times and processing steps within a plant. Further, the reactor may be designed as a pressure vessel due to the required pressure. The design of the pressure vessel shape depends on the process control and the mixing technique used.
  • the reactor is designed as a type of multi-membrane fluidized bed reactor with circulating fluidized bed.
  • fluidized bed is understood to mean a bed of solid particles which is brought into a fluidized state by an upward flow of a fluid.
  • the term 'fluidized' indicates in this context that the (former) bed now has fluid-like properties (eg that of water).
  • the interior of the inventive reactor is a solid-liquid mixture. The fine-grained charge of the solid is whirled up when it is flowed through from the gas or from the liquid - the so-called fluid medium - from bottom to top.
  • the fluid medium In order to agitate the solid particles, the fluid medium must flow at a certain minimum rate, depending on the reaction conditions. Due to the turbulence, the solid can be removed relatively easily - in part continuously - from the reaction space when the reaction is complete. Accordingly, fresh solid can be tracked.
  • the velocity of the fluid stream is adjusted so that the solids are fluidized at least to form a stationary fluidized bed. However, the fluid velocity in this state is less than the single-grain descent rate of the particles.
  • the reactor according to the application may have one or more of the following properties.
  • the reactor can have at least one pressure vessel and at least one device for solid-liquid separation and is then also referred to as a membrane reactor.
  • the reactor may have at least one coarse and / or one fine filtration or a combination of both, which may also be combined in a filtration device.
  • At least one of the pressure vessels may have a stirring and / or mixing system, which may be referred to as a stirred tank reactor.
  • the sum of all the reaction chambers of the pressure vessels or reactors can have a volume of 0.5 to 10,000 cubic meters, also about 5 to 2,000 cubic meters and also from 50 to 500 cubic meters.
  • the sum of all the tanks of a plant including the reaction chambers of the pressure vessels or reactors, silos and storage rooms can have a volume of 0.5 to 1,000,000 cubic meters, also 10,000 to 700,000 cubic meters and also 50,000 to 500,000 cubic meters.
  • the water content of the biomass can be up to 95 percent or more of the total weight.
  • the integration of a dewatering process that precedes the conversion reaction may be useful. Due to the high moisture content and the low bulk density of many biomass, the conveyance is limited, so that the initial solids content in the reaction chamber can be between about 5 and 30 percent. Therefore, the yield of the reaction product may be in the single-digit percentage range based on the total reaction space volume. Next then the use of relatively large reaction space volumes is required.
  • interconnecting a plurality of pressure vessels or reactors for example in the sense of a cascade, and / or the combination of different reactor types, a more favorable residence time distribution and thus higher conversions can be realized by an improved control of the process sequence.
  • the different requirements of the various reaction phases and sub-steps can be taken into account. For example, in a tubular reactor a more favorable heat exchange take place, in a stirred tank or stirred reactor better mixing and backmixing.
  • the transportability of individual plant components including the pressure vessel is improved.
  • by the Interconnection of multiple pressure vessels or reactors facilitates the realization of a continuous or semi-continuous process.
  • At least one pressure vessel for receiving the compressed process gas formed or contained in the reactors can be used and integrated into the plant.
  • Continuous separation or removal of individual reactants, such as water during the course of the process can increase the solids content during the process.
  • the solids content may increase from, for example, originally 15 percent to 20 to 30 percent, preferably to 31 to 45 or and more preferably 46 to 70 percent, depending on the reaction regime.
  • the volume per reactor can decrease in the course of the reaction, feedstocks that can be reacted more quickly or a higher throughput based on the reactor volume can be achieved.
  • a series connection of several reactors, which are separated from one another, for example, by valves enables a specific filling or refilling of individual pressure vessels with fresh starting materials, reactants or catalysts in order to increase the throughput rates.
  • Reactor as well as all reactant contacting surfaces and components of the device including fittings and piping are made of heat resistant and corrosion resistant materials, preferably of noble metal comparable to the quality described for the membrane parts below.
  • the wall thickness of the reactor is designed for pressures between 7 to 20 bar, preferably for pressures between 20 to 30 bar and particularly preferably for pressures of 30 to 40 bar and for temperatures between 160 and 230 degrees Celsius, preferably up to 260 degrees Celsius and more preferably until 300 degrees Celsius.
  • the temperature in particular in at least one pressure vessel, reactor or plant component, is continuously above at least two reaction cycles above 40 to 90 degrees Celsius, preferably from 60 to 70 degrees Celsius and / or above the boiling temperatures of the process water at a bar absolute pressure, so that a longer immediate and inconsequential manual contact with the directly in contact with the reaction mixture container wall of more than a minute only with aids, insulating materials or additional devices is possible
  • the reactor according to the application can have a vertical cylindrical one
  • the upper floor may be formed as a dished bottom. It may in the upper part preferably the upper half and more preferably in the upper two-thirds have a slightly conical shape with a slightly increasing diameter downwards.
  • the conical bottom may have an angle to the reactor axis of at most 45 degrees, preferably less than 40 degrees, and more preferably less than 35 degrees. For example, the transitions from the wall to the bottom area may be rounded to minimize flow disturbance.
  • the placement of the nozzle for the supply of the reaction mixture may be variable and is located for example in the upper half, preferably in the upper third of the pressure vessel. The supply can take place via a valve via together via the outlet, which is located approximately in the center of the bottom or cone bottom.
  • a membrane reactor is a device that allows the combination of at least one chemical reaction with a membrane process or a solid-liquid separation. Both processes are integrally coupled so that synergies can arise. At the same time, both processes can be accommodated in a single housing or a system. In the chemical reaction, at least one component of the reaction mixture is reacted.
  • reaction, intermediate, by-products and end products can be selectively removed from the reaction mixture, educts can be added in a controlled manner or the contact of the starting materials can be intensified.
  • Reaction, intermediate, by-products and final products, and especially water are removed from the reaction mixture continuously or at intervals by solid-liquid separation.
  • the removal of gaseous substances and in particular of dissolved oxygen can be advantageous both for the course of the reaction and for the reduction of corrosion.
  • the chemical change in composition and properties, including density, especially during the polymerization phase facilitates solid-liquid separation. As a result, a higher solids concentration can be achieved in the reaction mixture.
  • the reaction mixture is transferred to a loop reactor.
  • the reaction mixture is axially flowed through a radially inner cylindrical portion in a first direction and in a radially outer portion axially in a second opposite direction.
  • the internal tube may be provided with heat exchange elements to accelerate heat exchange and to allow for larger reactor diameters.
  • the inner tube is also referred to as insertion or guide tube.
  • the diameter of the guide tube influences the friction and deflection pressure losses of the loop flow. This increases with decreasing diameters and the same length. If too large a diameter is chosen, the loop flow may collapse. Therefore, the diameter of the insertion tube may be about one quarter to one third, but not more than half the diameter of the reactor.
  • the guide tube can be positioned approximately at a distance of one third, preferably one quarter, of the reactor diameter from the bottom of the reactor.
  • Milieus the presence of corrosive substances such as chlorine, high temperatures and pressures are the surfaces that come into contact with the reaction mixture at operating conditions, susceptible to corrosion. As a result, wear phenomena, in particular by pitting corrosion, can be noticeable, especially in long-term operation. To minimize corrosion, depending on the diameter of the container, either permanently installed membrane parts or a fluid-permeable cartridge are used.
  • Membrane parts are made of perforated elements, preferably sheets, which allow the transport of gases and liquids in particular through the element.
  • the fluid and gas-permeable cartridge consists of perforated mostly metallic components through which purified solvent or water can flow into the reactor space. Whether in each case a membrane part or a fluid-permeable cartridge is used depends primarily on the diameter of the respective reaction vessel and the tolerances in the processing but also on the shape and the corrosion load.
  • Possible materials or coating materials or carrier materials are plastics, metals, in particular hard metals, ceramic materials and polytetrafluoroethylene and preferably noble metals and particularly preferably the noble metals mentioned for the membrane parts.
  • the coating is typically provided by a removable polytetrafluoroethylene cartridge, such as those used in laboratory scale autoclaves. Chemical, mechanical, thermal and thermomechanical processes are used to apply the coating.
  • the material to be applied, the carrier material and / or the adhesion promoter are in gaseous, liquid, dissolved or solid form. Electroplating or flame spraying methods, such as, for example, the high-velocity oxy-fuel (HVOF) method, are preferably used.
  • HVOF high-velocity oxy-fuel
  • One technique for applying the coating is plating.
  • the interior of one or more containers of the system may be equipped with a cartridge.
  • the inner wall of the reactor can be lined with membrane parts.
  • the cartridge usually has a cylindrical shape and can a grid, that is a net-like Structure, or metal bars rest.
  • either a stainless steel sheath similar to a heat exchange plate system, is laser welded onto either the outer or inner stainless steel layers of the reactor or cartridge.
  • the stainless steel jacket is widened by internal pressure, creating uniform cavities. Through these cavities then various media can be passed. These media can also serve as a heat carrier, which can include sufficiently treated process water, fresh water or steam or thermal oil.
  • the bores in both the mantle and in the cartridge are at a distance of at least 10 to 20 cm, also at least 60 cm and at least 150 cm. Due to the applied overpressure, which rests on the jacket circuit, the medium passes through the holes in the reactor interior or in the cavity between the reactor wall and the cartridge. It can be a positive guidance by the connection of individual welding circuits are generated by a laser seam, so that a uniform distribution of Temper michsmediums is ensured in the jacket. The pressure applied to this tempering system exceeds that of the reactor internal pressure by up to 6 bar.
  • the outer shell of the cartridge lies directly on the inside of the pressure vessel. Alternatively, it can rest on a perforated grid or webs.
  • the cartridge has regular holes with a diameter of about 20 to 70 microns.
  • an inner cladding can be applied, which is connected by means of a welding process and preferably by laser welding.
  • the inner shell as Temperiansssystem cavities are generated as above the outer shell of the cartridge.
  • the inner sheath has a thickness of 1 to 1.5 mm, also 1.5 to 2 mm or from 2 to 2.5 mm. Pressure losses are minimal and are additionally minimized by the number and size of the inlet and outlet connections.
  • the cartridge or membrane parts made of steel and especially stainless steel and especially austenitic steels and particularly preferably steels of increasing chromium and molybdenum contents of groups 6, 7 and 8 or also duplex steels (DIN designations inter alia 1.4571 (1.4404), 1.4435, 1.4539, 1.4439, 1.4462, 1.4529, 1.4501). If stressing reaction conditions are selected, for example, copper-nickel alloys, high molybdenum-containing nickel alloys, such as. B. 2.4610, and titanium use.
  • the wall thickness of the cartridge is designed so that the cartridge can be exposed to a differential pressure of 2, preferably 4 and more preferably 6 bar.
  • the membrane parts used at these points were specially processed, especially in the bottom or wall area at least but in the cone area and preferably in the lower third, especially in the areas where it can lead to deposits or caking.
  • the processing of these sheets for example, by drilling holes at regular intervals, preferably at intervals of less than 10 mm, and less than 6 mm and less than 4 mm.
  • the holes in the membrane parts or in the cartridge are laser-drilled into the element or component and have diameters between 200 to 10 microns, also between 100 and 20 microns and also between 50 and 25 microns.
  • the holes are preferably funnel-shaped, so that the diameter of the holes at the outlet is at least twice as large as at the inlet. As a result, a diversified flow is achieved, which allows an optimized heat transfer.
  • the axis of the holes is nearly parallel to the reactor axis and / or perpendicular to the surface to the perforated membrane parts.
  • the holes heated or cooled and sufficiently treated process water fresh water or water vapor is passed through an overpressure from the cavity into the pressure vessel interior.
  • the holes can act as nozzles.
  • the aforementioned liquids simultaneously serve as tempering and blowing medium. Process water or fresh water must be sufficiently prepared for passage through the holes or the heat exchange system.
  • the standards are aimed at the conditioning, which also apply to feed water and / or boiler water.
  • the thickness of the membrane parts or cartridge wall is designed so that the wall thickness meets the requirements of the pressure differences between the inside and outside.
  • the membrane parts or the cavities that they form with the pressure vessel wall can be divided into zones which have a concentric surface, for example, in the cone or bottom area. These are characterized by different pressure levels. The different pressure levels are achieved for example by valves or separate pumping systems. As a result, deposits and caking can be counteracted by gravitational sedimentation. Comparable effects can be achieved at uniform pressure by adjusting the diameter of the holes. For example, the diameters may be greater in the areas of heavy sedimentation.
  • the interior, in particular the bottom or the cone of the pressure vessel as well as fittings and other parts coming into contact with the reaction mixture may be surface-treated. In particular, this is achieved by reducing the surface roughness.
  • abrading production processes are used for the surface treatment after customary pretreatment, and also electrochemical removal processes or else anodic removal of metal in an electrolyte specially adapted to the material.
  • At least one and preferably several or a combination of different temperature control systems is used, which are operated mechanically, electrically or chemically.
  • the tempering system of the reactor consists, for example, of a double-wall construction, a screw-in heating element, heating elements introduced into the reactor. and cooling coils or ribs or welded on the outer wall half-pipe coils.
  • a heat exchange plate system in question.
  • Process water and / or a thermal oil are preferably used as the heat energy carrier or temperature control medium for tempering systems which are passed through and closed in the interior of the reactor.
  • the combination, positioning, design and control of the respective temperature control system results from the process control and depends in particular on the composition of the starting materials.
  • All process water systems outside and inside the reactor can be used for the tempering process. This can be due to external, ie outside the reactor located heat exchange processes and the other by the introduction of tempered process water as diluent, tempering, suction or blowing agent for mixers, pumps and / or nozzles and / or as aspirated medium for the liquid jet pumps happen.
  • a mixing of process and fresh water can also serve an optimized reactor temperature.
  • process control can also be optimized by, for example, lowering the concentrations of certain inorganic substances and contaminants.
  • the supply of a Temper istsmediums be, in particular by spraying tempered water or recycled process which water at temperature critical points.
  • the temperature control is controlled via the process control.
  • the delayed introduction of precursors depending on their reaction properties is an essential element of temperature control.
  • a swirling or suspending takes place continuously or intermittently for the purpose of heat exchange, intensification of the reactant contact and for the purpose of better digestion of even crosslinked, for example, lignocellulose-containing layers, uniform distribution of the reactants and, above all, of the catalyst. orgemischs and venting of the reaction mixture. At the same time sedimentations are dissolved, loosened and a Tromben- and agglomeration is counteracted. Overall, this positively influences the course of the reaction. This means that the more thoroughly and uniformly the mixing process, the faster the course of the reaction and the more homogeneous the reaction product. At least one or more and in particular a combination of different mixing systems with and / or moving parts in the reaction space can be used.
  • stirrer As a mixer with moving parts in the reaction space, one or more or a combination of different stirrers can be used.
  • the stirrer is equipped with at least one and preferably with two or more shafts, so that further stirrers are driven via the same motor and reactor access.
  • An advantage of such stirring systems is the relatively low energy requirement in relation to the energy input or mixing time.
  • the decisive disadvantage in addition to the high costs lies in the susceptibility to failure and the higher maintenance requirements compared to mixing systems without moving parts in the reaction chamber.
  • Liquid jet systems are understood to mean liquid jet mixers, pumps and nozzles. They usually have no moving parts and are therefore less expensive.
  • Liquid jet systems can serve as mixing systems because they are suitable for introducing kinetic energy into the reactor via a blowing agent, which can also serve as heat or coolant, in order to suspend and homogenize the reactor contents.
  • Other advantages of liquid jet systems include their small size, minimal disruption of flow and flow conditions and avoidance of sealing systems. Burst crushers, which often have to be used for conventional stirring systems, are superfluous. Therefore, there are no current-flow-induced dead zones when using such systems. At the same time, floating (floating of solids) is reduced, which minimizes the risk of air entrainment.
  • the liquid jet systems may be powered by a common or multiple process water reservoir. They can be controlled independently of each other and flowed through by different amounts of blowing and / or tempering.
  • Propellant and / or tempering agent is preferably fed almost continuously and / or at intervals for suspending and homogenizing.
  • the positioning of the liquid jet systems, and in particular liquid jet mixers is chosen so that formation of a liquid flow occurs, for example in the form of a vertical loop flow.
  • a loop flow can also be formed, for example, in the form of an eight, or at corresponding heights of further loops that run transversely to the vertical.
  • Liquid jet mixers are positioned in particular in the upper half, in particular in the upper third, wherein the propulsion jet is directed downwards almost parallel to the reactor axis.
  • liquid jet mixers For larger or higher reactors, in particular from a diameter-height ratio of 1: 3, several liquid jet mixers are connected in series, that is, connected in series at different heights, so that a respective downstream mixer accelerates the drive current.
  • several liquid jet mixers are positioned on a longitudinal axis so that the propellant jet is effectively amplified in one direction. If more than two liquid jet mixers or pumps are used at one level, the number of liquid jet mixers whose jet is directed down to the reactor bottom is the same.
  • One or more liquid jet mixers are positioned just above the bottom region or cone so that the flow is directed tangentially across the wall of the bottom or cone.
  • One or more liquid jet mixers are positioned immediately adjacent to the spout in the center of the bottom region or cone so that the flow is directed tangentially upwardly over the wall of the bottom or cone.
  • the turbulence and shear stress of the liquid jet systems cause the solids to degrade.
  • the additional use of comminution devices in areas of maximum turbulence and shear stress, in particular the suction slots or intake and outlet openings, the formation of lumps and agglomerates is targeted counteracted.
  • the suction slots or suction tend to blockages, they can be supplied with its own process water supply, the process water is only roughly cleaned for this purpose. For coarse cleaning, for example sieves, filters and membranes are used.
  • a mixed reaction mixture feed for the plugging and deposit-endangered suction slots or suction openings of the mixers can also be realized by means of a divided drive flow feed: one portion is sucked directly out of the reactor, another Part is coarsely filtered sucked from the upper part of the reactor.
  • the drive current supply is regulated and switched by valves, so that, for example, in case of operating problems or too low liquid level, blowing agent is saved.
  • Nozzles can be used at specific points in the container interior. These include in particular dead space areas or zones in which deposits and caking should be prevented.
  • a cleaning process can be carried out.
  • a cleaning device for example, a movable and controllable high-pressure nozzle can be used.
  • the device can be introduced through a hand hole, a lock or a valve in the interior.
  • the cleaning process is carried out under direct visual inspection or by means of one or more cameras.
  • the cleaning device can be controlled remotely from the outside. The pressure and temperature of the propellant are adjusted to give the best possible cleaning result without damaging the lining materials or coatings.
  • dry ice emitters are suitable for surface cleaning of the blasting media: dry ice pellets as blasting agents are accelerated to 300 m / s with compressed air and impinge on the dirt layer with high kinetic energy. They cool them down to minus 8O 0 C; the dirt layer shrinks and becomes brittle. At the same time, the dry ice pellets evaporate and suddenly expand to up to 700 times, which breaks off the dirt layer from the surface.
  • the use of a dry ice emitter for cleaning eliminates the time-consuming workup or disposal of a cleaning medium. Polluting organic solvents and halogenated hydrocarbons become superfluous.
  • a dry ice emitter is preferably used as Tauchschnorchelsystem. It is inserted into the reactor through a hand hole at a central position and docked to a holding system that has been previously positioned. With the help of a rotating spray device, the dry ice pellets are directed to the areas to be cleaned.
  • the propellant for the liquid jet mixers, pumps and nozzles can be a liquid or gaseous medium such as water, treated process water or a gas such as water vapor.
  • the process water is screened, filtered and freed from impurities at or immediately after exit from the reactor, so that the mixers, pumps and nozzles are not clogged and the wear on reactor, pipe, pump components and other fittings is minimized.
  • the temperature of the blowing agent is adjusted so that its introduction serves to control the process temperature.
  • the blowing / tempering agent is conducted outside the reactor (s) at similar pressures as inside the reactor (s). If the tempering function of the process water is dispensed with, it is conducted outside the reaction spaces at similar temperatures as within the same.
  • heat or coolant can be used.
  • the substances contained in the process water are dependent on the mixture of the starting materials and the process control including the catalysts.
  • substances previously bound in the biomass go into solution.
  • Numerous elements including chlorine, sulfur, nitrate and their salts as well as metals, in particular heavy metals and minerals as well as alkalis such as potassium or sodium and their salts are converted into the aqueous phase to a certain extent during the chemical reaction process.
  • a share is tied back in the solid phase.
  • the remaining portion remains in the liquid phase.
  • the proportions of the substances which change over in the liquid phase are also dependent on the concentration gradient, that is to say the concentration already present in the liquid phase. With increasing concentrations, saturation occurs until certain substances fail.
  • inorganic substances and compounds can precipitate sulfates and chlorides as salts, thereby adversely affecting process control and reactor constituents.
  • the proportion of organic carbon compounds in the liquid phase may be above 50g per liter.
  • the COD value of the process water already lies in the higher five-digit range (mg O 2 / l) without recycling, thus clearly exceeding the legal discharge limit values.
  • the chemical oxygen demand CSB is understood in a comprehensive sense to mean the amount of oxygen that is required to chemically oxidize all organic constituents of a defined amount of substance.
  • the chemical transformation process usually takes several hours. During this time, complex chemical processes are associated with material changes that have to be taken into account in order to optimize process control.
  • Different types of biomass are fed in intervals during the first two to three process phases. Depending on the desired reaction product, for example, reaction products are withdrawn towards the end of the last two process phases.
  • Propellants or tempering agents such as, for example, a gas, water, in particular process water and / or process / synthesis gas and catalysts are withdrawn or supplied during the ongoing process. Reactants and especially byproducts are removed which interfere with both chemical reaction, mixing and flow.
  • Reaction mixture can be used various methods.
  • the solid-liquid separation serves to separate the liquid phase, whereby a concentration of the solids content is achieved.
  • various screening processes coarse screening, fine screening, filtration processes and / or centrifugal separation can be linked together by means of a cyclone.
  • one or more filtration or sieving processes are already carried out as part of the pretreatment.
  • At least one coarse or one fine filtration or a combination of these two processes can be used.
  • filtration in particular micro and / or ultrafiltration or a combination of the two, one third to two thirds of the total organic carbon compounds from the Process water are removed.
  • the solid-liquid separation is preferably operated at operating conditions and is generally beyond the use of simple paper filters, such as those used on a laboratory scale.
  • the selection of the methods used depends, among other things, on the chemical composition, particle size distribution, density, particle shape, strength and solubility and includes the utilization of electrical currents and charges, different densities and centrifugal forces as well as different particle sizes.
  • the solid-liquid separation devices used include dynamic, static, vacuum, pressure, and sterile filtration, including, but not limited to, cross-flow filtration, including available micro, ultra, nanofiltration, and reverse osmosis techniques.
  • Devices are preferably used in which the underlying method or operating principle of hydrocyclones, centrifuges, force-field-assisted separating devices and / or filtration methods is used.
  • the preferred filtration methods include, in particular, those which can also be used under the reaction conditions of the hydrothermal carbonization.
  • Rotary disk filters or centrifugal membrane filters are preferably used for the solid-liquid separations, in particular under operating conditions.
  • the preferred material responsible for the formation of the pores is made of metal, and especially of ceramic.
  • the shape of the pore-forming material is preferably disk-shaped.
  • the aqueous phase is fed to a process water reservoir or filtered or unfiltered to the process water treatment.
  • the properties of the solids to be separated and thus the choice of the methods chosen for the separation depend on the process control and on the properties of the desired reaction product. The further the process progresses and the higher the density of the reaction product, the easier it is to separate. Preferably, the separation takes place close to the operating conditions.
  • the amount of solids in the filtrate usually decreases in proportion to the pore size and can increase significantly through the use of an ultrafiltration process and amount to over two-thirds to four-fifths.
  • the process incorporates one or more solid-liquid separation devices for the elimination of sand and other high-density or heavy-weight contaminants that become separable as the biomass is treated.
  • the application of the principle of centrifugal separation of solids is advantageous in order to protect pumps, mixers and nozzles.
  • Treated process water is returned to the water cycle of the plant for recycling.
  • At least one and preferably several process water reservoirs can be used for each individual reactor or for several interconnected reactors and for other devices of the plant.
  • the individual process water reservoirs are preceded by various cleaning steps.
  • the volume of individual or a common process water reservoir amounts in sum to about 35 to 85 percent of the total volume of all reactors.
  • the process water reservoir is designed for the temperature and pressure loading of the reactors, so that pressure reducing and heat exchange devices are not mandatory.
  • a process water purification is integrated into the water cycle of the plant described. Depending on the use of the processed process water different cleaning or treatment processes are necessary.
  • the mechanical wastewater treatment apparatus is a filter, preferably a microfilter and more preferably an ultrafiter, and may be congruent with the solid-liquid separation methods described above.
  • the device for solid-liquid separation in which the filter or filters are installed, is preferably a rotary disc filter and more preferably a centrifugal membrane filter.
  • a device is used which most closely meets the complex requirements for cleaning.
  • a steel construction device for example, a high-performance bioreactor in the biomembrane method, preferably an aerobic process water treatment, more preferably a loop reactor.
  • the loop reactor should have a powerful nozzle for mixing the solid and liquid phases in its design.
  • a reactor for anaerobic process water treatment or also reverse electrodialysis can be used, in particular for nitrate recovery, distillation-evaporation and / or ion-exchange processes and activated carbon.
  • the odor load places demands on the storage and transport of the solid as well as on the design of the plant, building and conveyor system.
  • the intensity of the odor load decreases with the duration of the storage time.
  • the building or the storage and transport areas, in particular for the fuels, should be designed to be air or odor-proof, so that the contaminated air can not escape. Entrances to the building are sealed by locks.
  • One or more chemical and / or biological air purification systems are installed to minimize the odor burden on employees, suppliers and residents.
  • the cooling of the reaction product in particular below the boiling point at a bar absolute pressure is usually outside the reaction space, even in a device for relaxation.
  • the released heat energy can be made available to other processes via heat exchanger processes.
  • a static thickener is used to reduce the water content under the action of gravity with or without a mechanical rotating device or crusher, for example a level thickener or continuous thickener.
  • the regulation of the feed quantity can be taken over by a dosing apparatus. With correspondingly large volumes, the apparatus enables the thickened mixture to be dosed and dispensed uniformly on several machines.
  • the thickener can also be integrated directly into the drying device. An advantageous design of the cone construction allows the drying device to be fed directly with the mixture. If the process variables are adapted accordingly, external installations can be dispensed with. Alternatively, the mixture to be thickened can be applied under pressure to a curved sieve surface or to a curved sieve.
  • the resulting centrifugal force pushes a portion of the liquid through the screen slots.
  • the thickened mixture is combined at the end of the sieve and fed to the drying device.
  • Another advantageous mechanical separation process provides a hydrocyclone in which solid and liquid are separated by centrifugal acceleration.
  • the Thickened mixture in the lower reaches of the drying device is supplied and the processed or clarified liquid leaves the hydrocyclone in the overflow.
  • thermal separation processes are preferred for drying.
  • the amounts added to the drying are over one kilogram in weight.
  • a batch operation is preferable to continuous operation.
  • the drying is carried out by at least one or more dryers or by a combination of different devices for separation and / or drying.
  • a convection dryer is used, for example.
  • the dried material comes into contact with hot drying gas.
  • the disadvantage here is that the gas used is dissipate and must be cleaned with dust collectors usually.
  • the gas is recycled after condensing the moisture.
  • a convection dryer for example, a fluidized bed dryer can be used.
  • spray, nozzle tower or current dryers can be used depending on the present or desired particle size.
  • a continuous process in which one or more Horden, drum or tunnel dryer are used.
  • a contact dryer When using a contact dryer, essentially only the contact surface is available for the heat transfer. It is a belt, vacuum belt, drum, screw, cylinder, roller or belt dryer and preferably a vacuum drum filter or dryer used. Depending on the throughput rate, a plate dryer may alternatively or additionally be used, for example, to achieve lower moisture contents.
  • the drying can be effected by means of a hot gaseous medium such as air at temperatures between 61 and 95 degrees Celsius, preferably between 65 and 90 degrees Celsius, and more preferably between 70 and 85 degrees Celsius.
  • superheated steam and particularly preferably water vapor having a temperature of 130 to 180 degrees Celsius are preferably used as the gas in addition to air, especially in the thermal drying devices.
  • a combined mechanical-thermal separation or drying process can be used.
  • the advantage of a mechanical Thermal process compared to the conventional method is in a much lower residual moisture content of the product, which is achieved especially in fine particle or Nanosy stemen an improved flowability of the product.
  • Another advantage is that at the same time a partial leaching of impurities from the reaction product by the condensing vapor takes place.
  • the use of steam as a further driving dehumidification potential brings an increase in performance for filtering centrifuge with it.
  • the mechanism of planar mechanical displacement by means of a condensation front interacts with the mass force and practically leads to complete emptying of the coarse capillary system even in the smallest reaction products up to the nano range. Examples of processes that exploit this mechanism include vapor pressure filtration.
  • the residual moisture content of the reaction products according to the application is advantageously about 6 to 25 percent, also 10 to 20 percent or even 12 to 15 percent.
  • reaction mixture After the conversion reaction, the reaction mixture is present as a suspension.
  • reaction, intermediate, by-products and / or end products are produced from biomass:
  • carbonaceous materials such as insulating materials, nano sponges, globules, fibers, cables, active or sorption carbon, charcoal substitute, high density Carbon products and materials and, in particular, starting materials for graphite and graphite-containing or similar products, and carbon fibers and starting materials for composite or fiber composites.
  • FIG. 1 shows a device 1 with a reactor 2.
  • the reactor 2 consists of a cylindrical base body 3, which encloses a reaction space 4.
  • the reaction space 4 serves to receive a solid / liquid mixture, for example biomass.
  • the reactor 2 has a filler neck 5 for the solid / liquid mixture and an outlet 6, can be removed through the intermediate, by-products or end products from the reaction chamber 4.
  • the reactor also has a device for mixing the solid / liquid mixture.
  • the device in the embodiment shown here is a stirring device 7, with which the solid / liquid mixture can be mixed during treatment and / or processing.
  • the reactor 2 also has a cylindrical guide or plug-in tube 8, which directs or controls the flow of the solid / liquid mixture in the reaction space 4.
  • the reactor 2 has a non-mechanical mixing device in the form of a liquid jet mixer 9. Furthermore, the reactor 2 is equipped with a filter device 10, by means of which solid constituents are retained in the reaction space 4. Process or service water can be withdrawn from the reaction space 4 and fed to a reservoir 12 via the filter device 10 and the line 11. The hot water can be fed either via the line 13 to the liquid jet mixer 9 and thus again the solid / liquid mixture in the reaction chamber 4 or passed through a fine filter 14 as pure water in another reservoir 15. From the further reservoir 15, the pure water can be returned via the line 16 either in the reactor 2 or fed via the line 17 to the wastewater.
  • FIG. 2 shows a detail of the wall region of the reactor 2 according to FIG. 1.
  • the reactor wall 20 is double-walled, the reactor wall 20 consisting of an outer wall layer 21 and an inner wall layer 22.
  • the inner wall layer 22 is provided at the edge of the reaction space 4 with a membrane part 23, which may be, for example, a perforated sheet or a membrane sheet, but also a heat exchange plate.
  • the membrane part 23 can either be hung in the reactor or attached to the inner wall layer 22, for example, welded, be.
  • the outer wall layer 21 and the inner wall layer 22 are spaced apart, so that a cavity 24 is located between these two wall layers.
  • In the cavity 24 may be, for example, a thermal oil, as used for example for the transmission of heat energy in heat transfer systems. The thermal oil is heated and directed into the cavity 24 to heat the interior of the reactor. This happens in a closed cycle.
  • Another cavity 25 is located between the membrane part 23 and the inner wall layer 22.
  • This further cavity 25 is used the intake of pure water and can be used for example as Temper michssystem. If the membrane part 23 is a membrane sheet or a perforated heat exchange plate, then in this case the pressure in the cavity 25 must be at least slightly above the pressure in the reaction space 4, so that no components of the reaction mixture can enter the cavity 25. Due to the extreme reaction conditions in the reaction space 4, the inner wall layer 22, but above all the membrane part 23, is made of a corrosion-resistant material or at least coated with such a material.
  • Figure 3 shows an example of a schematic representation of a plant.
  • the arrangement for generating energy can, for example, have a combustion system whose shape and size of the burner plate are adapted to the ash content. Since the ash content is lower when using the device according to the application, smaller burner plate diameters are sufficient. To prevent caking on the burning plate, the combustion plant according to the application is equipped with an automatic device for removing the ash from the burning plate.
  • the plant according to the application for the combustion of dust comprises a coal power plant or coal dust furnace with at least one steam turbine or supercritical coal-fired power plant.
  • a coal power plant or coal dust furnace with at least one steam turbine or supercritical coal-fired power plant.
  • the combustion process takes place at the highest possible temperatures of about 600 degrees Celsius, or above 650 degrees Celsius and in another embodiment above 700 degrees Celsius instead. Further increases in efficiency in the high temperature range can be exploited, for example, by the use of modern power plant technologies, so that a combined gas and steam turbine process with the highest possible efficiency levels for power generation higher than 43 percent, or higher than 46 percent, or 49 percent - 55 percent realized in another embodiment can.
  • the IGCC concept with integrated coal gasification preferably also fluidized bed combustion, especially the pressurized stationary fluidized bed combustion (DWSF) with combined process and particularly preferred combined cycle power plants with pressurized coal firing (DKSF), can be used to exploit the combined process.
  • DWSF pressurized stationary fluidized bed combustion
  • DKSF combined cycle power plants with pressurized coal firing
  • the combustion process should have a gas inlet temperature of> 1,000 degrees
  • the high-temperature gas cleaning is such that the particle content and the content of corrosive constituents, in particular sodium and potassium compounds, as well as noxious gases is reduced so far that the flue gas can be fed directly to a gas turbine, preferably taking advantage of the low-temperature plasma properties of the flue gas ,
  • a particle content can iN m 3 ⁇ 0.01 mg / m 3 in realized ⁇ 3 mg / d in ⁇ 3 microns, alkali content.
  • Fuel is the use in a carbon fuel cell.
  • a carbon fuel cell has two key advantages over the hydrogen fuel cell: First, the charge state of carbon is twice that of a hydrogen molecule. The gas volumes before and after the reaction are the same in the case of the carbon fuel cell, but different in the case of the hydrogen fuel cell. This means that the entropy almost does not change in the first case, so the total calorific value can be converted completely into electrical energy. Therefore, the utilization rate of the carbon fuel cell is theoretically up to 60 percent higher than that of the hydrogen fuel cell. The problem is to achieve the required particle densities for the carbon.
  • the application according to the application offers the possibility of producing a coal-like fuel with a particle size in the nano range for the carbon fuel cell.
  • Synergies with other energy production methods can be created by sharing power generation equipment, in particular turbines, preferably steam or gas turbines.
  • Renewable energies that can be shared between turbines and, in particular, steam or gas turbines include the Dispatchable Wind Power System (DWPS).
  • DWPS Dispatchable Wind Power System
  • This compressed air is decompressed in an air reservoir.
  • This compressed air is then additionally introduced into an already running turbine.
  • the efficiency increases by introducing the compressed air into an already running turbine by more than 20 to 200 percent, or 40 to 170 percent and in another Au exitsbeispiel by 60 to 150 percent.
  • At least part of the energy generated by the utilization of the fuels produced in the device according to the application, in particular in the form of heat and / or electrical energy, can be utilized by one of the following means:
  • [205] - Coal-fired power plants including in particular the IGCC concept with integrated coal gasification, also prefers coal dust power plants, in particular fluidized bed combustion, especially the pressurized stationary fluidized bed combustion (DWSF) with combined process and particularly preferred Combined Cycle Dust Combustion (DKSF);
  • DWSF pressurized stationary fluidized bed combustion
  • DKSF Combined Cycle Dust Combustion
  • FIG 3 shows a plant for the production of energy with a device 1 for the treatment of biomass and an arrangement 2 for energy production.
  • the pros Direction 1 comprises two series-connected reactors 3, 4, each having a cylindrical base body, which includes a reaction space 5 and constitutes a kind of pressure vessel.
  • the reaction space 5 serves to receive the starting materials including the biomass.
  • the device 1 further comprises comminution devices in the form of a chopper 6 and a mill 7.
  • the biomass is first supplied to the chopper 6 for rough crushing (arrow 8) and fed from there for further comminution in the mill 7.
  • the biomass prepared in this way is then mixed intensively in a mixing device 9, it also being possible to add auxiliary substances, such as, for example, catalysts (arrow 10).
  • the biomass is then fed by means of the pumping device 11 via the line 12 to the reactors 3, 4 and in the reaction chambers 5 under pressure, for example 7 bar, and at high temperature, for example at least 160 0 C, further treated.
  • the setting of the required temperature in the reaction chambers 5 is ensured by the temperature control system 13.
  • the tempering system 13 may comprise, for example, a device for heating a fluid, which is supplied by means of the pump 14 to heat exchangers in or on the reactors 3, 4.
  • the feed of the biomass into the successively arranged reactors 3, 4 is controlled via the valve devices 15, 16.
  • Reactors 3, 4 withdrawn and fed to a separation device 20, which separates the solid reaction products from the liquid components.
  • the liquid components are fed to a wastewater treatment plant 21 and cleaned there in an environmentally sound manner.
  • the still moist, solid reaction products are introduced via the expansion device 22 in a drying device 23 and dried there to the desired residual moisture content.
  • the dried reaction products are usually coal dust or similar fuels.
  • the fuels are stored in a disposed between the device 1 and the arrangement 2 fuel storage 24.
  • the power generation assembly 2 includes an incinerator 30 which serves to combust the fuels produced by the apparatus 1.
  • the heat energy of the combustion is used in the incinerator 30 to heat water or water vapor in the tube 31 and to drive the turbine 32 with the water vapor thus generated.
  • the rotational energy of the turbine 32 is supplied to the generator 33 and converted by this into electrical energy that can be fed, for example in a power grid (arrow 34).
  • the flue gas produced during combustion in the incineration plant 30 is treated in a purification process 35, which comprises, for example, flue gas desulphurisation and flue gas denitrification, before it is discharged into the open air via a chimney 36 is dissipated.
  • composition of the materials and / or fuels can be controlled by the reaction.
  • concentration of individual substances can not easily be varied selectively and independently of other substances. Rather, different substance groups and parameters can be changed in the same direction. For example, if the sulfur content is reduced, the chlorine and ash contents are also reduced at the same time.
  • the carbon content for grass, hedge trimming (Tuja) and sugar beet was more than 50 to 63 percent of the mass fraction by mass (dry matter) and thus about 20 to 60 percent higher than the mass fraction of the starting material.
  • the oxygen content was reduced by up to half and the nitrogen content by about a quarter and the hydrogen content was reduced to about one-fourth.
  • the carbon content of fuels and / or fuels is 10 to 300 percent, even 50 to 300 percent, or even 100 to 300 percent, especially 200 to 300 percent higher.
  • the carbon content of the fuels and / or fuels is 5 to 200 percent, preferably 10 to 150 percent, particularly preferably 10 to 120 percent, in particular 50 to 100 percent, in comparison to the biomass
  • the carbon content of the fuel and / or fuel is usually between 40 to 95 percent, even 50 to 90 percent or even 55 to 80 percent.
  • the carbon content can also reach higher purity levels of more than 98 percent depending on the reaction regime and the starting material.
  • the hydrogen content of plant and / or fuel is reduced by 1 to more than 300 percent, even 5 to 200 percent, or even 20 to 100 percent.
  • the oxygen content of the engine and / or fuel is reduced by 1 to more than 300 percent, even 5 to 200 percent, or even 15 to 100 percent.
  • the nitrogen content of the plant and / or fuel is reduced by 1 to more than 300 percent, even 5 to 200 percent, or even 15 to 100 percent.
  • the sulfur content of the plant and / or fuel may be a fraction of the
  • the ash content of the plant and / or fuel can make up a fraction of the biomass and is reduced by 1 to 100 percent, also 101 to 1000 percent, or even 1000 to more than 3000 percent compared to the original substance.
  • the fine dust content of the plant and / or fuel can be a fraction of the
  • a reduction of the mineral content as well as the ash and fine dust content during combustion to a multiple of, for example, significantly more than 300 percent can be made possible by a high proportion of process water.
  • a dilution of the abovementioned proportions but also of numerous other substances occurs, which were originally contained in the starting material and are dissolved out during the reaction and go into solution. It could be said that these substances are washed out, so that practically the proportion of soluble substances can be reduced in proportion to the process water fed in the solid phase.
  • carbohydrate-containing biomass is used as starting material, such as grain, maize or Zucher
  • the calorific value of the plant and / or fuel is about 65 to 85 percent or in another embodiment 70 to 80 percent compared to the starting material.
  • the energy contents of the reaction product can be described as follows, depending on the biomass used:
  • the calorific value of the plant and / or fuel is about 70 to 90 percent and also 75 to 85 percent compared to the starting material.
  • biomass with a low carbohydrate, cellulose or lignin content is used as starting material, for example sewage sludge, the calorific value of the plant and / or fuel is about 80 to 95 percent and also 85 to 90 percent compared to the starting material.
  • the density of many starting materials is below that of water before the start of the reaction. During the course of the reaction, the density increases continuously and reaches in Dependence of the starting materials and reaction conditions to achieve a density comparable to hard coal. While the density of most raw materials is 200 to 600 kg / m3 and occasionally 800 kg / m3 (dry weight), the density of the reaction product can reach over 900 to 1200 kg / m3, occasionally even 1250 to 1350 kg / m3 provided that the air is squeezed out between the particles of the reaction product.
  • reaction product Due to the small particle size of the reaction product, it has a larger surface area compared to the starting material. This facilitates drying at the same moisture content easier than with naturally occurring carbon compounds of comparable carbon content. At the same time the large surface contributes to a low ignition temperature.
  • Distinguishing features of the reaction products include the presence of Maillard- or Maillard-like reaction products in both the liquid and solid phases.
  • the strong and intense odor varies with the starting materials. Odor formation is causally related to the formation of Maillard reaction products.
  • the above-mentioned characteristics of the new reaction product provide numerous advantages over conventional fuels as well as environmental and climate-friendly properties.
  • the treatment process for the purpose of industrial production of biomass fuels and / or fuels is more efficient and economical.
  • the material conversion of biomass virtually no carbon needs to be lost.
  • over 95 percent of the carbon contained in the feedstock is converted to the solid constituents of the reaction product that can be used to generate energy.
  • the liquid phase contains the rest of the carbon compounds.
  • the conversion reaction in the reactor practically no appreciable amounts of carbon dioxide or other climate-damaging gases released.
  • the reaction behavior and in particular the selection and composition of the starting materials and catalysts, forms carbonaceous nanomaterials and structures.
  • Some of these materials have useful material and surface properties. These include, for example, nano sponges, which can be used as water storage or insulation materials.
  • the so-called Maillard reaction takes place in heating processes such as baking, roasting, roasting, grilling and frying of protein-rich and carbohydrate-rich foods at temperatures above 13O 0 C.
  • carbohydrates and amino acids in addition to a large number of aromatic substances, develop red to yellow-brown, sometimes almost black, polymers - the melanoidins.
  • High temperatures, such as those encountered in baking and roasting, but also higher pressures accelerate the reaction and generate many and dark melanoidins. They therefore represent a not inconsiderable share of the food in products such as bread, coffee, malt, nuts or corn flakes - in coffee, for example, it is up to 30 percent.
  • Maillard or Maillard-like reaction products are formed in high concentrations during hydrothermal carbonation. Both in the solid (especially solids) and in the liquid phase (eg process water) are relatively high Concentrations of indicator substance CML, which are usually between 0.3 - 2 mmol / mol lysine. In the liquid phase, that is to say in the process water, higher concentrations are generally present than in the solid phase of the reaction product. The concentrations or concentration ratios depend on the solid-liquid ratio and on the composition of the starting materials as well as the process control. CML is said to have antioxidant and chemopreventive properties. It is therefore to be assumed that comparable or similar properties can also be found in other intermediate, by-products or reaction products of the hydrothermal carbonization, including the Maillard or Maillard-like reaction products.
  • Isolation and purification of the Maillard- or Maillard-like reaction products are carried out, inter alia, by filtration, ultrafiltration and / or chromatographic methods, in particular by column chromatography.
  • Process is produced, arises in comparison to reaction products with higher calorific value by a comparatively shorter residence time. He usually still has fibrous material (especially lignin and cellulose) of the starting materials. The crosslinking of the biopolymers is not completely eliminated.
  • the humus produced in accordance with the application has a carbon content of at least 30 to 45 percent and a calorific value of at least 15 to 24 MJ / kg and is readily combustible.
  • the humus produced in accordance with the application can be partially used. have similar characteristics as natural humus and partly also peat:
  • [257] o provides the plants with nutrients, releasing them so slowly that the plants can handle them,
  • [258] o enables the soil to store the water like a sponge and keeps evaporation to a minimum
  • [261] o stores ammonia and other nitrogen compounds in exchangeable and recoverable form.
  • humus produced in accordance with the application is a uniform humus and fuel whose properties can be calculated and controlled via the composition of the starting materials and the catalysts as well as the process control. Humus produced in accordance with the instructions can be produced within hours. The application according to the method is thus much faster than other known production methods of humus, which usually take weeks and months to complete.
  • Biomass is used to produce a peat-to-coal-like fuel by applying the method according to the application.
  • the calorific value depends on the process control, in particular on the reaction time.
  • the calorific value increases with the reaction time or residence time in the reactor.
  • Fossil fuels such as lignite or hard coal have, in comparison to fuels, by hydrothermal carbonation in accordance with the application Although similar heating values are produced on fuels, they differ considerably from fuels in terms of composition and properties.
  • the calorific value of fossil Lusatian lignite coal is 8,700 kJ / kg, the water content at about 56 percent, sulfur content at about 0.7 percent and the ash content at about 4.5 percent. Both water, sulfur and ash content of the fuel are lower while the calorific value is usually well 20,000 kJ / kg. Regardless of the water content, 1 kilowatt hour of electricity can be generated from 1 kilogram of lukewarm raw lignite from Lusatia. In contrast, more than twice as much electricity can be generated from the same amount of fuel.
  • Fossil coal is found in lumps or, depending on the depth of excavation, in relatively high-density agglomerates, which have to be comminuted with high energy expenditure. Next, it must be dried and ground in coal mills to fine lignite dust. In contrast, after completion of the process, fuels and / or fuels are typically smaller than 1 millimeter to less than 30 nanometers in size and are easier to dry due to their large surface area. Thus, the energy required for the conditioning and especially drying of fuels is much lower compared to solid fossil coal.
  • the combustion properties of the fuel are more favorable not only to fossil coals but also to most of the previously available fuels from renewable resources. At least one usually but several or all of the following parameters are more favorable for fuels in particular compared to the starting materials or alternative fossil or biomass fuels: reduced ash content, less chlorine, nitrate, sulfur, heavy metals and lower emissions of dust, particulate matter and gaseous pollutants including nitrogen and sulfur oxides. This also applies to the pressed forms of fuels such as briquettes and pellets.
  • heating values of 34-36 MJ / kg can be achieved when processing particularly suitable sewage sludge.
  • the fuel is a single fuel whose properties can be calculated and controlled via the composition of the starting materials and the catalysts as well as the process control.
  • a ratio of dust with calorific values of 25 - 30 MJ / kg to wood shavings or woodchips is 53: 47, also 58:42 or preferably 64:36.
  • the water content of the wood chips or woodchips can be around 10 percent.
  • the particles can not be larger than 2 mm, smaller than 1.5 mm and smaller than 1 mm.
  • a ratio of dust with calorific values of 22 - 25 MJ / kg to straw is 61: 39, also 66:44 or even 72:28.
  • the water content of the wood chips or woodchips can be around 10 percent.
  • the particles can not be greater than 2 mm, even less than 1.5 mm or even less than 1 mm.
  • Peat can also be processed into briquettes at equivalent cellulose and lignin content.
  • the compression temperature is 80 degrees Celsius and should not exceed 90 degrees Celsius.
  • the raw density of the briquettes is about 0.95 - 1.15 g / cm3.
  • pellets For the production of pellets by means of the process according to the invention (pellets), the process of wet pelletization with subsequent agglomerate drying is preferred. This method is suitable for producing pellets from fuels of different calorific values with relatively little effort.
  • the pellets have a diameter of 3 - 7 mm and preferably of 4 - 6 mm.
  • the length is between 5 and 45 mm. They have high strength, low dust and water resistance and can be well dosed.
  • binding agents and combustion accelerators are used, in particular wallpaper glue, meadow grass, straw and other lignocellulose-containing biomass.
  • a proportion of up to 30 percent of the lignocellulose-containing biomass can be replaced by wallpaper glue, for example.
  • the water content of wood shavings or woodchips or other lignocellulosic biomass may be around 12-14 percent.
  • the particles can not be larger than 2 mm, smaller than 1.5 mm and smaller than 1 mm.
  • Peat can also be processed into pellets at equivalent cellulose and lignin content.
  • the pressing pressure is above 100 MPa, also above 120 MPa and also above 140 MPa.
  • energy can be generated from the fuels produced by means of the method according to the application.
  • combustion of the fuels produced in accordance with the invention takes place in different devices:
  • pellet form the fuel is usually burned in pellet stoves, pellet boilers or mounted burners, even with automatic fuel supply.
  • incinerators can be used.
  • incineration plants according to the application can be adapted to the changed burning properties in the following areas:
  • the IGCC concept with integrated coal gasification preferably also fluidized bed combustion, especially the pressure-charged stationary fluidized bed combustion (DWSF) with combined process and particularly preferred combined cycle power plants with pressurized coal firing (DKSF) is suitable for use of the combined process.
  • DWSF pressure-charged stationary fluidized bed combustion
  • DKSF pressurized coal firing
  • the combustion process has a gas inlet temperature of> 1,000 degrees Celsius, also> 1,200 degrees Celsius and also> 1,400 degrees Celsius.
  • the flue gas separator achieves a particle content ⁇ 3mg / m 3 iN at d ⁇ 3 microns, alkali content ⁇ 0.01 mg / m 3 iN.
  • Synergies can be produced with other energy sources and / or energy production methods by sharing devices for generating energy, in particular turbines, in particular a steam or gas turbine for energy production.
  • Turbines and in particular of steam or gas turbines offers the Dispatchable Wind Power System (DWPS).
  • DWPS Dispatchable Wind Power System

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1 ) mit einem Reaktor (2). Der Reaktor (2) besteht aus einem zylindrischen Grundkörper (3), der einen Reaktionsraum (4) einschliesst. Der Reaktor (2) weist einen Einfüllstutzen (5) für das FesWFlüssiggemisch und einen Auslassstutzen (6) auf. Der Reaktor weist ferner eine Einrichtung zur Durchmischung des Fest-/Flüssiggemisches auf. Die Einrichtung ist eine Rührvorrichtung (7). Der Reaktor (2) weist ferner einen zylinderförmiges Führungs- bzw. Einsteckrohr (8) auf, das die Strömung des Fest-/Flüssiggemisches im Reaktionsrau (4) lenkt bzw. kontrolliert. Der Reaktor (2) weist eine nicht-mechanische Mischvorrichtung in Form eines Flüssigkeitsstrahlmischers (9) auf. Ferner ist der Reaktor (2) mit einer Filtervorrichtung (10) ausgestattet. Über die Filtervorrichtung (10) und die Leitung (11) kann Prozess bzw. Brauchwasser aus dem Reaktionsraum (4) abgezogen und einem Reservoir (12) zugeführt werden. Das Brauchwasser kann entweder über die Leitung (13) dem Flüssigkeitsstrahlmischer (9) und damit wieder dem Fest-/Flüssiggemisch im Reaktionsraum (4) zugeführt oder über einen Feinfilter (14) als Reinwasser in ein weiteres Reservoir (15) geleitet werden. Aus dem weiteren Reservoir (15) kann das Reinwasser über die Leitung (16) entweder in den Reaktor (2) zurückgeführt oder über die Leitung (17) dem Abwasser zugeführt werden.

Description

Description
Vorrichtung zur Behandlung von Fest-/Flüssiggemischen
[i]
[2] Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Fest-
/Flüssiggemischen, insbesondere von Biomasse, mit mindestens einem Reaktor zur Aufnahme des Fest-/Flüssiggemisches, eine Anlage zur Erzeugung von Energie aus von Biomasse, mit mindestens einer Vorrichtung zur Behandlung der Biomasse, sowie einen Werk- und/oder Brennstoff, der aus Biomasse herstellbar ist.
[3] Eine so genannte hydrothermale Karbonisierung im Labormaßstab wurde im Juli
2006 von Prof. Markus Antonietti vom Potsdamer Max-Planck- Institut für Kolloid und Grenzflächenforschung vorgestellt. Bei diesem Verfahren wird Biomasse in einem Laborautoklaven bei 10 bar und 180 Grad innerhalb eines halben Tages in einen kohleähnlichen Stoff oder dessen Vorstufen und Wasser umgewandelt .
[4] Die Nutzung von feuchter Biomasse zur Energiegewinnung durch Herstellung eines möglichst einheitlichen Brennstoffs wird seit längerem angestrebt, ist bisher aber durch mangelnde Effizienz der energetischen Nutzbarkeit und geringe Wirtschaftlichkeit in ihrer Anwendung begrenzt. Kohlendioxid-Emissionen durch die Verbrennung fossiler Energieträger werden im Wesentlichen für den Klimawandel verantwortlich gemacht.
[5] Aus der DE 197 23 510 Cl ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Behandlung biogener Restmassen bekannt, die einen zylindrischen Reaktor umfasst, in dem Lebnsmittelabfälle und Ähnliches einer Temperatur-Druck-Hydrolyse unterzogen werden. Der Reaktor ist als Schlaufenreaktor mit beheizbarer Mantelfläche ausgebildet. Mittels einer Pumpe wird innerhalb des Reaktors eine Strömung erzeugt, die eine Durchmischung der Suspension gewährleistet.
[6] Die vorliegenden Anmeldung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren zu entwickeln, durch das Brennstoffe, Humus, kohlenstoffhaltige Werkstoffe sowie Maillard- beziehungsweise Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte mit hoher Effizienz aus einem Fest-Flüssig-Gemisch, insbesondere im industriellen Maßstab, wirtschaftlich hergestellt werden können.
[7] Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Weiterbildungen ergeben sich aus abhängigen Patentansprüchen.
[8] Ein Verfahren der gemäß der Anmeldung sieht vor, daß das kohlenstoffhaltige Fest-
Flüssig-Gemisch und/oder die Ausgangs Stoffe vor und/oder während der Behandlung zusätzlich bearbeitet wird und/oder die Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte aufgearbeitet beziehungsweise prozessiert werden. Durch gezielte Vorbereitung beziehungsweise Vorbehandlung des Fest-Flüssig-Gemisches und weitere Bearbeitung des Fest-Flüssig-Gemisches während der Behandlung bez- iehungsweise des Reaktionsprozesses und/oder die Aufarbeitung der Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte kann die Ausbeute an Brennstoffen, Humus, kohlenstoffhaltigen Werkstoffen und/oder Maillard- beziehungsweise Maillard- ähnlichen Reaktionsprodukten auf wirtschaftliche Weise erheblich gesteigert werden.
[9] Bei der energetischen Verwertung von Biomasse wird nur so viel Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt, wie die lebenden Pflanzen zuvor zum Wachstum benötigen. Die Nutzung von Brennstoffen aus Biomasse ist daher Kohlendioxidneutral und damit klimaverträglich. Weiter kann die Herstellung von Humus, der zum Beispiel auf landwirtschaftlichen Nutzflächen ausgebracht wird, als CO2-Senke dienen. Ohne solche Maßnahmen und ohne den verstärkten energetischen Einsatz nichtfossiler Brennstoffe aus Biomasse sind Klimaschutzziele wie sie zum Beispiel im Kyoto-Protokoll festgelegt wurden, nur schwer zu erreichen.
[10] Bei den Verfahren der Anmeldung zur Verwertung von Biomasse zur Herstellung von Brennstoffen ist der Anteil des Kohlenstoffs, der beim Umsetzungsprozess verloren geht, wesentlich geringer als bei anderen Verfahren. Bei sachgerechter Umsetzung geht wenig oder gar kein Kohlenstoff verloren. Der Kohlenstoffverlust liegt bei der alkoholischen Gärung über 30 Prozent, bei der Umsetzung zu Biogas bei etwa 50 Prozent, bei der Holzverkohlung bei etwa 70 Prozent und bei der Kompostierung über 90 Prozent. Dabei entweicht der Kohlenstoff als Kohlendioxid oder auch als Methan, die jeweils als klimaschädlich angesehen werden. Dies ist bei dem Verfahren der Anmeldung nicht oder nur in sehr geringem Ausmaß der Fall.
[11] Das Verfahren gemäß der Anmeldung hat einen hohen Wirkungsgrad. Die alkoholische Gärung hat dagegen nur einen geschätzten effektiven Wirkungsgrad von drei bis fünf Prozent der in den Pflanzen gespeicherten Primärenergie. Bei dem Verfahren gemäß der Anmeldung wird kein oder nur sehr wenig CO2 freigesetzt. Bei der Umwandlung von Biomasse in Biogas wird etwa die Hälfte des Kohlenstoffs wieder als CO2 freigesetzt. Außerdem sind nur wenige Substrate für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Biogasanlage geeignet.
[12] Anders als bei den bekannten Verfahren braucht bei dem Verfahren gemäß der
Anmeldung die freigesetzte Wärme nicht weitgehend ungenutzt bleiben. Eine besondere Schwierigkeit besteht in der energetischen Verwertung von Biomasse mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt. Beim Verfahren der Anmeldung ist jedoch die Anwesenheit von Wasser Voraussetzung für den chemischen Umsetzungsvorgang. Bisherige Verfahren sind dagegen durch mangelnde Effizienz, geringere energetischen Nutzbarkeit und Wirtschaftlichkeit in ihrer Anwendung begrenzt.
[13] Bei der Behandlung von Fest-/Flüssiggemischen wie beispielsweise Biomasse unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen können die Reaktoren, in denen die Behandlung erfolgt, besondere Merkmale aufweisen. So kann die innere Oberfläche des Reaktors aufgrund der extremen Bedingungen korrosionsbeständig oder mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sein. Darüber hinaus kann eine Einrichtung zur Durchmischung des Fest-/Flüssiggemisches vorhanden sein.
[14] Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werk- und/oder
Brennstoffen, Humus und/oder Maillard- beziehungsweise Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukten aus kohlenstoffhaltigen Fest-Flüssig-Gemischen , bei dem das Fest- Flüssig-Gemisch bei einer Temperatur von über 100 Grad Celsius und einem Druck von über 5 bar für eine Behandlungsdauer von mindestens 1 Stunde behandelt wird.
[15] In einer weiteren Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung wird das Verfahren semikontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt. Das bedeutet, dass die Behandlung des Fest-Flüssig-Gemisches, insbesondere während des Reaktionsprozesses , nicht diskontinuierlich, das heißt im Batch- Verfahren, durchgeführt wird. Vielmehr werden zur optimalen Reaktionsraumausnutzung und zur Minimierung der Verweilzeiten Temperatur- und Druckverhältnisse weitgehend im Betriebsbereich gehalten. Gleichzeitig können während des laufenden Prozesses Ausgangsstoffe als auch Katalysatoren zeitversetzt in den Reaktionsraum eingebracht, Prozesswasser und nicht umgesetzte Ausgangs Stoffe sowie andere zugeführte Medien entnommen und nach Bedarf recykliert (zurückgeführt) sowie Störstoffe, Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte abgezogen werden. Parallel dazu können weitere Verfahrensschritte, wie beispielsweise die Aufarbeitung und/oder Reinigung von Prozess wasser, Abwasser, Abluft, Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte kontinuierlich oder in Intervallen durchgeführt werden.
[16] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Temperatur auf über 160 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen 160 und 300 Grad Celsius, besonders bevorzugt zwischen 185 und 225 Grad, eingestellt und/oder dass die Temperatur automatisch gesteuert wird.
[17] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Druck auf mindestens 7 bar, vorzugsweise zwischen 10 und 34 bar, besonders bevorzugt zwischen 10 und 17 bar, 17 und 26 bar oder 26 und 34 bar, eingestellt wird.
[18] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Behandlungsdauer mindestens 2 Stunden, vorzugsweise 3 bis 60 Stunden, besonders bevorzugt 5 bis 30 Stunden oder 30 bis 60 Stunden, insbesondere 6 bis 12 Stunden oder 12 bis 24 Stunden, beträgt.
[19] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Behandlungsdauer in Abhängigkeit von der Art der Ausgangsstoffe und/oder des Fest- Flüssig-Gemisches und/oder dem gewünschten Reaktionsprodukt gewählt wird.
[20] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass mindestens ein Ausgangsstoff und/oder das Fest-Flüssig-Gemisch vorbehandelt wird, vorzugsweise durch Entwässerung, Zerkleinerung, Vorinkubation mit Hilfsstoffen, Vermischung und/oder Vorwärmung.
[21] Teil der Vorbehandlung kann auch die Inkubation in einem sauren Milieu oder
Medium sein, beispielsweise bei einem pH- Wert, der unter 6, bevorzugt unter 5, besonders bevorzugt unter 4, insbesondere unter 3 und dabei vorzugsweise unter 2 liegt. Die erforderliche Zeitdauer des Schrittes nimmt mit zunehmender Zerkleinerung und mit sinkendem pH- Wert ab. Die Inkubation bei saurem pH-Wert kann nach dem Zerkleinern erfolgen.
[22] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Ausgangsstoffe das Fest-Flüssig-Gemisch vor, während und/oder nach der Behandlung zerkleinert, vorzugsweise gehäckselt und/oder gemahlen, werden. Dabei sollte die Partikelgröße des zerkleinerten Fest-Flüssig-Gemisches vorzugsweise unter 10 cm, besonders bevorzugt unter 1 cm, insbesondere unter 2 mm, liegen.
[23] Dem Fest-Flüssig-Gemisch oder mindestens einem der Ausgangstoffe kann vor und/ oder während der Behandlung mindestens ein Katalysator mit oder ohne Zugabe von Wasser und/oder einer wässrigen Lösung zugegeben werden. Der Katalysator kann aus mindestens einer oder auch mehreren, verschiedenen Komponenten bestehen. Diese bilden dann gemeinsam ein Katalysatorgemisch. Eine Komponente des Katalysators kann beispielsweise aus einer Säure bestehen. Diese kann in vorteilhafter Weise eine Carbonsäure und insbesondere eine Protonensäure verwendet werden. Als vorteilhaft hat sich die Verwendung einer Di- oder Tricarbonsäure, und vor allem von Weinsäure oder Zitronensäure herausgestellt. Sowohl Zitronensäure als auch Weinsäure sind kristallin und nicht toxisch. Beide kommen in der Natur in Früchten vor (Zitronensäure in Zitrusfrüchten wie zum Beispiel Zitronen, Weinsäure in Weintrauben). Es kann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Anmeldung aber beispielsweise auch eine anorganische Säure sein, vorzugsweise Schwefelsäure. Die Säure, die als Katalysatorkomponente eingesetzt wird, kann gleichzeitig auch zur Herstellung des sauren Mediums für den Inkubationsschritt eingesetzt werden.
[24] Der Katalysator oder das Katalysatorgemisch kann, insbesondere auch zusätzlich, ein oder mehrere Metalle und/oder Metallverbindungen umfassen. Es kommen vorzugsweise Übergangsmetalle der Nebengruppen Ia, IIa, IVa, Va, VIa, VIIa und Villa des periodischen Systems der Elemente wie beispielsweise Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink, Rhodium, Palladium, Platin, Silber, Vanadium, Chrom, Wolfram, Molybdän und/oder Titan zum Einsatz, wobei sich Eisen als besonders vorteilhaft herausgestellt hat. Besonders bevorzugt sind auch Oxide dieser Metalle, beispielsweise Vanadiumoxid (V2O5), Kupferoxid (CuO), Zinkoxid (ZnO) und/oder Chromoxid (Cr2O3). Aber auch Metalle der Hauptgruppen des periodischen Systems der Elemente bzw. deren Oxide, beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) können in vorteilhafter Weise als Katalysator eingesetzt werden.
[25] Zusätzlich oder alternativ können vor der Behandlung des Fest-Flüssig-Gemisches auch Biokatalysatoren verwendet werden, um die Umsetzung des Fest- Flüssig-Gemisches in Brennstoffe, kohlenstoffhaltige Werkstoffe, Humus und/oder Maillard- bzw. Maillard- ähnliche Reaktionsprodukte zu beschleunigen. Dabei können beispielsweise Enzyme, Mikroorganismen (insbesondere Bakterien und/oder Pilze), pflanzliche Zellen, tierische Zellen und/oder Zellextrakte in freier und/oder immobilisierter Form eingesetzt werden. Biokatalysatoren können aufgrund der extremen Bedingungen während der Behandlung des Fest-Flüssig-Gemisches ausschließlich bei der Bearbeitung des Fest-Flüssig-Gemisches, insbesondere der Vorbehandlung, und/oder der Aufarbeitung der Reaktions- und/oder Nebenprodukte eingesetzt werden.
[26] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass mindestens einer der Ausgangsstoffe und/oder das Fest-Flüssig-Gemisch vor und/oder während der Behandlung gemischt wird, vorzugsweise durch Rühren, Mischen, Suspendieren und/oder Aufwirbeln. Dabei kann bzw. können zum Mischen eine oder mehrere Misch vorrichtung(en), insbesondere eine Kombination verschiedener Mischvorrichtungen, vorzugsweise mindestens ein Flüssigkeitsstrahlmischer, -pumpe oder eine Düse, eingesetzt werden. Anmeldungsgemäß bevorzugt sind Mischvorrichtungen, die ohne bewegliche Teile im Reaktionsraum auskommen.
[27] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Reaktionsprodukte nach der Behandlung mit einem Trockner oder einer Kombination verschiedener Trocknungsverfahren, vorzugsweise einem Konvektions- oder Kontakttrockner, besonders bevorzugt mit einem Strom- und/oder Band- und/oder Wirbelschichttrockner, getrocknet werden.
[28] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass im
Laufe des anmeldungsgemäßen Verfahrens anfallendes Prozesswasser, vorzugsweise durch mindestens eine Vorrichtung zur Fest-Flüssig-Trennung, abgezogen wird und/ oder gereinigt und in das Reaktionsgemisch zurückgeführt wird. Die Vorrichtung zur Fest-Flüssig-Trennung kann beispielsweise mindestens eine Vorrichtung zur Mikro-, Ultra-, Nanofiltration- und zum Umkehrosmoseverfahren oder eine Kombination verschiedener vorgenannter Vorrichtungen, bevorzugt mit keramischen Filterelementen und besonders bevorzugt ein Rotationsscheiben und/oder ein Zentrifugalmembranfilter, sein.
[29] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Anmeldung ist vorgesehen, dass anfallendes Abwasser mechanisch, chemisch und/oder biologisch gereinigt wird.
[30] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Anmeldung ist vorgesehen, dass bei der
Behandlung, Bearbeitung und/oder Aufarbeitung anfallende Abluft mechanisch, chemisch und/oder biologisch gereinigt wird. [31] Die Anmeldung betrifft auch ein Verfahren, insbesondere einen kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Prozess, zur industriellen Herstellung von verschiedenen Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukten. Die Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukte können beispielsweise Brennstoffe von Torf, über Braunkohle bis zu Steinkohle-ähnliche Brennstoffe, Humus, Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte, kohlenstoffhaltige Werkstoffe wie Dämmstoffe, Nanoschwämme, -kügelchen, -fasern, -kabel, Aktiv- oder Sorptionskohle, Grillkohleersatzstoff, hochverdichtete Kohlenstoffprodukte und Werkstoffe und insbesondere auch Ausgangsstoffe für Graphit und graphithaltige oder -artige Produkte sowie Kohlenstofffasern und Ausgangsstoffe für Verbund- oder Faserverbundwerkstoffe umfassen.
[32] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass das
Fest-Flüssig-Gemisch zumindest teilweise aus Biomasse besteht. Dabei wird durch Zufuhr von Druck und Hitze das Grundprinzip der hydrothermalen Karbonisierung genutzt, um in dem effizienten und äußerst wirtschaftlichen anmeldungsgemäßen Verfahren feuchte Biomasse unter Freisetzung von Wärmeenergie zunächst zu depoly- merisieren und hydrolysieren. Die Polymerisation der entstandenen Monomere führt innerhalb weniger Stunden zum Aufbau kohlenstoffhaltiger Reaktionsprodukte. Gewünschte Reaktionsprodukte werden in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen hergestellt. Beispielsweise entsteht nach kürzerer Reaktionsdauer unter anderem zunächst Humus und im weiteren Reaktionsverlauf Brennstoffe mit steigendem Kohlenstoffgehalt, die zur Energiegewinnung geeignet sind.
[33] Die Anmeldung sieht auch die Herstellung von verschiedenen Reaktions-, Zwischen-
, Neben- und/oder Endprodukten nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren vor, einschließlich der Herstellung von Brennstoffen von Torf, über Braunkohle bis zu Steinkohle-ähnlichen Brennstoffe, Humus, Maillard- oder Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukte, kohlenstoffhaltige Werkstoffe wie Dämmstoffe, Nanoschwämme, - kügelchen, -fasern, -kabel, Aktiv- oder Sorptionskohle, Grillkohleersatzstoff, hochverdichtete Kohlenstoffprodukte und Werkstoffe und insbesondere auch Ausgangsstoffe für Graphit und graphithaltige oder -artige Produkte sowie Kohlenstofffasern und Ausgangsstoffe für Verbund- oder Faserverbundwerkstoffe.
[34] Anmeldungsgemäß kann das Verfahren auch eine Vorstufe zur Erzeugung von
Energie aus Biomasse sein, bei dem ein Brennstoff nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren hergestellt wird und dieser Brennstoff anschließend zur Energieerzeugung konditioniert wird. Die Konditionierung kann dabei beispielsweise aus einer Herstellung von Pellets oder Briketts aus staubförmigem oder humusartigem Brennstoff bestehen. In vorteilhafter Ausgestaltung dieses Verfahrens ist dann vorgesehen, den konditionierten Brennstoff zur Energieerzeugung zu verwenden und insbesondere zu verbrennen. Anmeldungsgemäß kann ein Verfahren zur Erzeugung von verschiedenen Energieformen einschließlich von Wärmeenergie und/oder elektrischem Strom durchgeführt werden, bevorzugt eine Kombination derselben unter Verwendung des anmeldungsgemäß hergestellten Brennstoffs. Anmeldungsgemäß können ferner verschiedene Kombinationen zur Erzeugung von verschiedenen Energieformen aus unterschiedlichen erneuerbaren Energieträgern einschließlich anderer fester, flüssiger und gasförmiger Brennstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, fossilen Brennstoffen, Wasserkraft, Solar- und/oder Windenergie und verschiedener Speicherformen vorgenannter Energieträger und -erzeugungssystemen und unter Verwendung des anmeldungsgemäß hergestellten Brennstoffs eingesetzt werden.
[35] Die Anmeldung betrifft weiter ein Verfahren zur Erzeugung von Energie bevorzugt solcher, bei denen eine Dampf- und/oder Gasturbine zum Einsatz kommt, einschließlich solcher Verfahren, bei denen der anmeldungsgemäße Brennstoff verwendet wird, in Kombination mit speicherbaren Energiearten durch Windkraft insbesondere von Druckluft und besonders bevorzugt des Dispatchable Wind Power Systems (DWPS).
[36] Die Anmeldung betrifft ferner die Verwendung eines anmeldungsgemäß hergestellten Brennstoffs zur Erzeugung von Energie aus Biomasse.
[37] Die Anmeldung sieht auch eine Vorrichtung vor, die eine effiziente Behandlung von
Fest-/Flüssiggemischen im industriellen Maßstab ermöglicht.
[38] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Reaktor aus einem zylindrischen Grundkörper besteht und/oder druckfest ausgebildet ist.
[39] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Reaktor einen kegelförmigen Boden aufweist, der mit der Reaktorachse einen Winkel von maximal 45 Grad, bevorzugt kleiner 40 Grad, besonders bevorzugt kleiner 35 Grad, bildet.
[40] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Innenraum des Reaktors, insbesondere die Boden- beziehungsweise Wandteile, aus hitze- und korrosionsbeständigem sowie wasserabweisendem Material zum Beispiel aus beschichtetem Metall, insbesondere Edelmetall oder keramischen Werkstoffen bestehen. Vorzugsweise sind der Innenraum des Reaktors, insbesondere im Bodenbeziehungsweise Wandbereich, sowie Armaturen und andere mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommenden Teile ganz oder teilweise oberflächenbehandelt und/oder mit einem Beschichtungsstoff beschichtet, der Anbackungen oder Ablagerungen von Bestandteilen des Reaktionsgemischs verhindert oder verringert. Der Beschichtungsstoff kann vorzugsweise korrosionsfeste, verschleißarme und/oder wasserabweisende Materialien, insbesondere metallische oder keramischen Werkstoffe und Legierungen, bevorzugt aus Chrom, Nickel, Molybdän, Titan, Aluminium, Niobium sowie aus den Stoffen Silicium , Eisen, Cobalt, Wolfram, Bor und Kohlenstoff und besonders bevorzugt aus Titan- Aluminium- Verbindungen, umfassen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Beschichtungsstoff mittels eines Beschichtungsverfahrens, bevorzugt durch Plattierung, besonders bevorzugt durch ein Flammspritzverfahren wie zum Beispiel das High-velocity oxy-fuel (HVOF)-Verfahren, aufgebracht wird.
[41] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass im
Innenraum des Reaktors mindestens ein Membranteil angeordnet ist. Dieses Membranteil kann in Abständen von weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 6 mm, besonders bevorzugt weniger als 4 mm, von Löchern durchsetzt sein. Wenn das Membranteil als Blech ausgebildet ist, kann man es aufgrund der Löcher auch als Membranblech bezeichnen. Es können mehrere Membranteile im Reaktor vorgesehen sein.
[42] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Durchmesser der Löcher in dem Membranteil geringer als 400 μ m, vorzugsweise geringer als 100 μ m, besonders bevorzugt geringer als 35 μ m, ist.
[43] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Löcher in dem Membranteil trichterförmig ausgebildet sind.
[44] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass zwischen dem durchlöcherten Membranteil und der Reaktorwand mindestens ein Hohlraum vorhanden ist. Das Membranteil kann dabei mit der Reaktorwand derart verbunden sein, dass der Hohlraum in voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist. Bei einer solchen Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein Bereich des Hohlraums mit einer Eintrittsöffnung und mindestens ein anderer Bereich des Hohlraums mit einer Austrittsöffnung versehen sind. Die Verbindung zwischen dem Membranteil und der Reaktorwand kann beispielsweise durch punkt- oder linienförmiges Verschweißen erfolgen, wobei die nicht miteinander verschweißten Bereiche dann durch Einpressen eines hydraulischen Fluids voneinander getrennt werden können, so dass zwischen der Eintritts- und Austrittsöffnung eine Leitung entsteht, durch die beispielsweise eine Kühlflüssigkeit geleitet werden kann, wie in der US-A-4 700 445 beschrieben. In diesem Fall kann die Reaktorwand also gleichzeitig als Wärmetauscher genutzt werden.
[45] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Reaktorwand doppelwandig ausgeführt ist, wobei zwischen einer inneren Wandschicht und einer äußeren Wandschicht mindestens ein Hohlraum angeordnet ist. Dabei können die beiden Wandschichten derart miteinander verbunden sein, dass der Hohlraum in voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist. Mindestens ein Bereich des Hohlraums kann dann vorzugsweise mit einer Eintrittsöffnung und mindestens ein anderer Bereich des Hohlraums mit einer Austrittsöffnung versehen sein. Die Verbindung zwischen den beiden Wandschichten kann beispielsweise durch punkt- oder linienförmiges Verschweißen erfolgen, wobei die nicht miteinander verschweißten Bereiche dann durch Einpressen eines hydraulischen Fluids voneinander getrennt werden können, so dass zwischen der Eintritts- und Austrittsöffnung eine Leitung entsteht, durch die beispielsweise eine Kühlflüssigkeit oder ein Thermoöl geleitet werden kann, wie in der US-A-4 700 445 beschrieben. In diesem Fall kann auch eine doppelwandige Reaktorwand gleichzeitig als Wärmetauscher genutzt werden.
[46] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Reaktor ein Kaskaden-, Rohr-, Kreislauf-, Schlaufen- und/oder Rührreaktor, und/oder vorzugsweise ein Membran- und/oder Wirbelschichtreaktor ist. Bevorzugt besitzt mindestens ein Reaktor oder eine Kombination verschiedener Reaktoren mindestens eine Eigenschaft und vorzugsweise Kombinationen verschiedener Eigenschaften eines Kaskaden-, Rohr-, Kreislaufreaktors und bevorzugt eines Schlaufen- oder Rührreaktors oder besonders bevorzugt eines Membran- oder eines Wirbelschichtreaktors. Besonders bevorzugt umfasst mindestens ein Reaktor mindestens ein Membranteil und/oder mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer zirkulierenden Wirbelschicht.
[47] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Reaktor mit einem Temperierungssystem versehen ist, das vorzugsweise an mindestens eine Steuereinheit angeschlossen ist. Das Temperierungssystem kann in vorteilhafter Weise mindestens einen Einschraubheizkörper, mindestens eine Heiz- und Kühlschlange, mindestens eine auf die Reaktorwand aufgeschweißte Halbrohrschlange, mindestens ein Wärmeaustauschrohr oder eine -platte und/oder mindestens ein Membranteil bzw. gelochtes Boden- und/oder Wandteil umfassen. Das Temperierungssystem kann auch eine Doppelwand beziehungsweise Doppelrohr-Konstruktion des Reaktors umfassen. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Anmeldung können sämtliche im Reaktor von Medien durchströmten Vorrichtungen einschließlich der durchlöcherten Membranteile, Flüssigkeitsstrahlmischer, -pumpen und Düsen Teil des Temperierungs Systems sein.
[48] Die Anmeldung sieht dabei auch Einrichtungen vor, die eine im Wesentlichen nichtmechanische Anordnung aufweisen, d. h. keine oder möglichst wenige mechanische und/oder bewegliche Teile umfassen.
[49] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Einrichtung eine Mischvorrichtung zum Durchmischen, Rühren, Aufwirbeln des Reaktorinhalts ist. Der Reaktor kann also auch mit einer Misch-, Rühr-, Aufwirbelungs- und/oder Reinigungsvorrichtung ausgestattet sein. Zum Eintrag kinetischer Energie in den Reaktorinhalt können dabei mechanische Rühr- und Mischsysteme mit und/oder ohne bewegte Teile verwendet werden.
[50] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Mischvorrichtung ohne bewegliche Teile ausgestattet ist und zum Beispiel mindestens einen Flüssigkeitsstrahlmischer, mindestens eine Flüssigkeitspumpe und/oder mindestens eine Düse umfasst.
[51] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Mischvorrichtung, insbesondere die Vorrichtungen im Ansaugbereich, derart gestaltet ist, dass die in diesem Bereich auftretenden Turbulenzwirbel und Scherbelastungen die Feststoffe zerkleinern und desagglomerieren.
[52] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Einrichtung eine Zerkleinerungsvorrichtung ist, insbesondere zur Zerkleinerung der festen Inhaltsstoffe im Reaktor, die vorzugsweise mindestens eine Mühle und/oder mindestens einen Häcksler umfasst.
[53] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Einrichtung eine Trocknungsvorrichtung ist, die vorzugsweise mindestens einen Kon- vektions- oder Kontakttrockner, bevorzugt einen Strom- und/oder Bandtrockner, umfasst.
[54] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Prozesswasseraufbereitung während des laufenden Prozesses stattfindet. Die Einrichtung ist dann vorzugsweise eine Prozesswasseraufbereitungsanlage, die vorzugsweise mindestens ein Sieb, einen Filter, einen Hydrozyklon, eine Zentrifuge oder ein kraftfeldunterstütztes Trenngerät umfasst. Dabei dient die Prozesswasseraufbereitung im Wesentlichen der Trennung von Feststoffen aus dem Reaktionsgemisch. Die Prozesswasseraufbereitungsanlage umfasst mindestens ein Prozesswasserreservoir und/oder mindestens ein Fest-Flüssig-Trenngerät. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Anmeldung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Prozesswasseraufbereitung mindestens eine Sieb-, Filter-, Zentrifugen-, Hydrozykloneinheit, ein kraftfeldunterstütztes Trenngerät oder eine Kombination derselben umfasst. Die Prozesswasseraufbereitungsanlage kann dabei aus einer Kombination verschiedener oder gleicher Trennvorrichtungen bestehen.
[55] Die Prozesswasseraufbereitungsanlage kann auch mindestens eine Filteranlage, insbesondere einen Rotationsscheibenfilter, bevorzugt mit Keramikscheibe aufweisen.
[56] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Einrichtung eine biologische Abwasseraufbereitungsanlage ist, die vorzugsweise mindestens einen Bioreaktor, bevorzugt einen Biomembranreaktor, umfasst. Der Bioreaktor kann dabei mindestens einen Schlaufenrektor aufweisen.
[57] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Schlaufenrektor mindestens eine Düse zur Vermischung der gasförmigen und flüssigen Phase umfasst.
[58] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Schlaufenreaktor ein Rohr umfasst, in dem die Strömung von oben nach unten verläuft.
[59] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Einrichtung eine Luftreinigungsvorrichtung ist, die vorzugsweise mindestens eine Vorrichtung zur Reinigung der Prozess- und/oder Abluft umfasst, insbesondere einen Luftfilter.
[60] Die Verwendung der anmeldungsgemäßen Vorrichtung für die Herstellung von
Brennstoffen, kohlenstoffhaltigen Werk- und Nutzstoffen, Humus und/oder Maillard- beziehungsweise Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukten aus Biomasse kann ebenfalls vorgesehen sein.
[61] Die Anmeldung schafft auch eine Anlage, die eine effiziente Erzeugung von Energie einem Brennstoff aus Biomasse im industriellen Maßstab ermöglicht, wobei mindestens eine Anordnung zur Energieerzeugung vorgesehen ist.
[62] In vorteilhafter Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die Anordnung zur Energieerzeugung eine Verbrennungs anläge zur Verwertung eines Festbrennstoffs aus Biomasse umfasst, in der die in der anmeldungsgemäßen Vorrichtung zur Behandlung der Biomasse hergestellten Brennstoffe direkt verbrannt und zur Erzeugung von Verbrennungsgasen und Wasserdampf genutzt werden können. Die Verbrennungsanlage kann mit einer Turbine und einem Generator gekoppelt sein, so dass aus den in der Verbrennungsanlage erzeugten Gasen und dem Wasserdampf elektrischer Strom erzeugt werden kann. Durch die anmeldungsgemäße Anordnung kann in ein kombinierter Gas-Dampfturbinenprozess zur Stromerzeugung mit höchstmöglichen Effizienzgraden höher als 43 Prozent, bevorzugt höher als 46 Prozent, besonders bevorzugt 49 Prozent - 55 Prozent, realisiert werden. Um die Abluft der Verbrennungsanlage umweltgerecht zu reinigen, ist es ferner möglich, an die Verbrennungs anläge eine Rauchgasreinigungsanlage anzuschliessen.
[63] Die Anlage umfasst mindestens ein Reaktor der Anlage, der für Temperaturen von mindestens 100 Grad Celsius und mindestens einem Druck von über 5 bar ausgelegt ist. Gleichzeitig wird in der Anlage ein Brennstoff aus Biomasse zum Betreiben derselben verwendet, der nach nach einem Verfahren hergestellt wird, das zumindest die folgenden Schritte umfasst: Behandlung der Biomasse bei einer Temperatur von über 100 Grad Celsius und einem Druck von über 5 bar für eine Behandlungsdauer von mindestens 1 Stunde sowie Bearbeitung der Biomasse und/oder Aufarbeitung der Reaktions -, Zwischen-, Neben- und/oder End produkte.
[64] Die Anordnung zur Energieerzeugung kann einen Pelletofen oder ein Kraftwerk mit
Kohlenstaubfeuerung aufweisen, wobei eine druckaufgeladene stationäre Wirbelschichtfeuerung (DKSW) oder eine Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF) vorgesehen sein kann.
[65] Die Anordnung zur Energieerzeugung kann eine Kohlenstoff-Brennstoffzelle aufweisen.
[66] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Vorrichtung zur Behandlung der Biomasse mindestens einen Reaktor zur Aufnahme der Biomasse und mindestens eine Einrichtung zur Bearbeitung der Biomasse und/oder Aufarbeitung der Reaktionsprodukte und/oder der Nebenprodukte aufweist.
[67] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass der
Reaktor ein Rohrreaktor, Kreislaufreaktor und besonders vorteilhaft ein Schlaufenreaktor oder Rührreaktor, und/oder vorzugsweise ein Membran- und/oder Wirbelschichtreaktor. Vorzugsweise umfasst mindestens ein Reaktor mindestens ein Membranteil und/oder mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer zirkulierenden Wirbelschicht . Gleichzeitig ist der Reaktor für Temperaturen von mindestens 100 Grad Celsius und mindestens einem Druck von über 5 bar ausgelegt.
[68] Um die Kapazität beziehungsweise den Durchsatz der anmeldungsgemäßen Anlage zu erhöhen, können mehrere Reaktoren zur Aufnahme und Behandlung der Biomasse vorgesehen sein. Diese können dann in Serie geschaltet sein.
[69] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist der Reaktor mit einem
Temperierungs System versehen, das an mindestens eine Steuereinheit angeschlossen seinkann. Das Temperierungssystem kann mindestens einen Einschraubheizkörper, mindestens eine Heiz- und Kühlschlange, mindestens eine auf die Reaktorwand aufgeschweißte Halbrohrschlange und/oder mindestens ein Wärmeaustauschrohr oder eine -platte umfassen. Das Temperierungssystem kann auch eine Doppelwand beziehungsweise Doppelrohr- Konstruktion des Reaktors umfassen.
[70] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Einrichtung als Mischvorrichtung zum Durchmischen, Rühren, Aufwirbeln des Reaktorinhalts ausgebildet ist. Der Reaktor kann also auch mit einer Misch-, Rühr-, Aufwirbelungs- und/oder Reinigungsvorrichtung ausgestattet sein. In weiterer Ausgestaltung der Anmeldung kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung eine Zerkleinerungsvorrichtung ist, insbesondere zur Zerkleinerung der festen Inhaltsstoffe im Reaktor, die vorzugsweise mindestens eine Mühle und/oder mindestens einen Häcksler umfasst.
[71] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung als Trocknungsvorrichtung ausgebildet ist, die vorzugsweise mindestens einen Konvektions- oder Kontakttrockner, bevorzugt einen Strom- und/ oder Bandtrockner, umfasst.
[72] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung kann vorgesehen seim, dass die Prozesswasseraufbereitung während des laufenden Prozesses stattfindet. Die Einrichtung kann dann eine Prozesswasseraufbereitungsanlage sein, die mindestens ein Sieb, einen Filter, einen Hydrozyklon, eine Zentrifuge oder ein kraftfeldunterstütztes Trenngerät umfassen kann. Dabei kann die Prozesswasseraufbereitung im Wesentlichen der Trennung von Feststoffen aus dem Reaktionsgemisch dienen. Die Prozesswasseraufbereitungsanlage umfasst mindestens ein Prozesswasserreservoir und/oder mindestens ein Fest-Flüssig-Trenngerät. In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Prozesswasseraufbereitung mindestens eine Sieb-, Filter-, Zentrifugen-, Hydrozykloneinheit, ein kraftfeldunterstütztes Trenngerät oder eine Kombination derselben umfasst. Die Prozesswasseraufbereitungsanlage kann dabei aus einer Kombination verschiedener oder gleicher Trennvorrichtungen bestehen. Die Prozesswasseraufbereitungsanlage kann auch mindestens eine Filteranlage aufweisen, insbesondere mit Keramikscheiben und auch mit einem Rotations scheibenfilter und/oder mit einem Zentrifugalmembranfilter.
[73] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist vorgesehen, dass die
Einrichtung eine biologische, physikalische oder Wasseraufbereitungsanlage oder eine Kombination derselben ist, die vorzugsweise mindestens eine Fest-Flüssigtrennung, einen Bioreaktor, bevorzugt einen Biomembranreaktor, eine Umkehrosmose, Mik- rofiltration, Ultrafiltration und/oder eine Naßoxidation umfasst. Der Bioreaktor umfasst dabei vorzugsweise mindestens einen Schlaufenrektor.
[74] In weiterer Ausgestaltung der Anmeldung ist vorgesehen, dass die Einrichtung eine
Luftreinigungsvorrichtung ist, die vorzugsweise mindestens eine Vorrichtung zur Reinigung der Prozess- und/oder Abluft umfasst, insbesondere einen Luftfilter.
[75] Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der anmeldungsgemäßen Anlage zur
Erzeugung von Energie, insbesondere elektrischem Strom.
[76] Die Anmeldung stellt auch einen Werk- und/oder Brennstoff zur Verfügung, der günstig herstellbar ist und im Vergleich zu den bekannten Werk- oder Brennstoffen verbesserte Eigenschaften aufweist.
[77] Die Aufgabe wird anmeldungsgemäß durch einen Werk- und/oder Brennstoff gelöst, der aus Biomasse hergestellt wurde und der einen im Vergleich zur Biomasse um 1 bis 300 Prozent höheren Kohlenstoffanteil bezogen auf den prozentualen Massenanteil der Elemente (Trockenmasse) aufweist. Der anmeldungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff umfasst Brennstoffe von Torf, über Braunkohle bis zu Steinkohle- ähnliche Brennstoffe, Humus, Maillard- oder Maillard- ähnliche Reaktionsprodukte, sowie kohlenstoffhaltige Werkstoffe wie Dämmstoffe, Nanoschwämme, -kügelchen, -fasern, -kabel, Rein-, Reinst- und Ultrareinkohle- , bzw. Aktiv- oder Sorptionskohle -ähnliche Stoffe , Grillkohleersatzstoff, hochverdichtete Kohlenstoffprodukte und -Werkstoffe und insbesondere auch Ausgangsstoffe für Graphit und graphithaltige oder -artige Produkte sowie Kohlenstofffasern und Ausgangs Stoffe für Verbund- oder Faserverbundwerkstoffe.
[78] Der anmeldungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff kann einen im Vergleich zur
Biomasse um 10 bis 300 Prozent, auch 50 bis 300 Prozent, oder auch 100 bis 300 Prozent, und insbesondere 200 bis 300 Prozent erhöhten Kohlenstoffanteil bezogen auf den prozentualen Massenanteil der Elemente (Trockenmasse) aufweisen.
[79] Alternativ kann der anmeldungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff einen im
Vergleich zur Biomasse um 5 bis 200 Prozent, auch 10 bis 150 Prozent, auch 10 bis 120 Prozent, und insbesondere 50 bis 100 Prozent erhöhten Kohlenstoff anteil bezogen auf den prozentualen Massenanteil der Elemente (Trockenmasse) aufweisen.
[80] Der anmeldungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff weist einen Kohlenstoffanteil im
Vergleich zum Ausgangsstoff von 50 bis 90 Prozent, auch von 55 bis 80 Prozent, und auch von über 98 Prozent, jeweils bezogen auf den prozentualen Massenanteil der Elemente (Trockenmasse) auf.
[81] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist der Wasserstoff anteil des Werk- und/oder Brennstoffs im Vergleich zur Biomasse um 1 bis 300 Prozent, auch 5 bis 200 Prozent, und auch um 20 bis 100 Prozent jeweils bezogen auf den prozentualen Massenanteil der Elemente (Trockenmasse) vermindert.
[82] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist der Sauerstoff anteil des Werk- und/oder Brennstoffs im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 300 Prozent, auch um 5 bis 200 Prozent, und auch um 15 bis 100 Prozent jeweils bezogen auf den prozentualen Massenanteil der Elemente (Trockenmasse) vermindert.
[83] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist der Stickstoffanteil des Werk- und/oder Brennstoffs im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt um 15 bis 100 Prozent jeweils bezogen auf den prozentualen Massenanteil der Elemente (Trockenmasse) vermindert.
[84] Der anmeldungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff kann mindestens oder mehr als
65 Prozent des ursprünglichen Brennwertes der Ausgangsstoffe und insbesondere der Biomasse bezogen auf die Trockenmasse aufweisen.
[85] Der anmeldungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff kann aufgrund seiner Zusammensetzung und Struktur im Vergleich zu Biomasse bzw. alternativen fossilen oder Biomasse-Brennstoffen deutlich günstigere und umweltfreundlichere Verbrennungseigenschaften haben, zum Beispiel aufgrund verminderter Ascheanteile, geringerem Chlor-, Nitrat-, Schwefel- und Schwermetallgehalt sowie geringerer Emissionen von Staub, Feinstaub und gasförmigen Schadstoffen einschließlich Stick- und Schwefeloxiden.
[86] Der anmeldungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff kann ferner im Vergleich zu Biomasse bzw. alternativen festen fossilen oder Biomasse-Brennstoffen auch eine höhere Reaktivität und eine niedrigere Selbstentzündungstemperatur aufweisen.
[87] Wenn er eine Porosität aufweist, dann lässt sich der anmeldungsgemäße Werk- und/ oder Brennstoff mit geringerem Energieaufwand zerkleinern als feste fossile Brennstoffe mit vergleichbarem Brennwert bzw. Kohlenstoffgehalt.
[88] Eine große Oberfläche ergibt sich bei einer geringen Partikelgröße des anmeldungsgemäßen Werk- und/oder Brennstoffs, insbesondere ein Partikelgröße von etwa 2 Nanometer bis 50 Mikrometer, auch unter einem Mikrometer und auch unter 200 Nanometer. Der anmeldungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff lässt sich dann aufgrund der kleinen Partikelgröße und seiner großen Oberfläche gut trocknen.
[89] Der anmeldungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff enthält Maillard- oder Maillard- ähnliche Reaktionsprodukte.
[90] In einer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung wird der Werk- und/oder
Brennstoff aus Biomasse nach einem Verfahren hergestellt, das zumindest die folgenden Schritte umfasst: Behandlung der Biomasse bei einer Temperatur von über 100 Grad Celsius und einem Druck von über 5 bar für eine Behandlungsdauer von mindestens 1 Stunde sowie Bearbeitung der Biomasse und/oder Aufarbeitung der Reaktions -, Zwischen-, Neben- und/oder End produkte.
[91] Die Temperatur kann auf über 160 Grad Celsius, auch zwischen 160 und 300 Grad
Celsius, und auch zwischen 185 und 225 Grad, eingestellt werden. Der Druck kann auf mindestens 7 bar, auch zwischen 10 und 34 bar, und auch zwischen 10 und 17 bar, 18 und 26 bar oder 27 und 34 bar, eingestellt werden. Die Behandlungsdauer kann bei mindestens 2 Stunden, vorzugsweise 3 bis 60 Stunden liegen, auch bei 5 bis 30 Stunden oder bei 31 bis 60 Stunden, insbesondere bei 6 bis 12 Stunden oder bei 13 bis 24 Stunden. Nach der Behandlung der Biomasse werden die Reaktionsprodukte mit einem Trockner, auch mit einem Konvektions- oder Kontakttrockner, mit einem Strom- und/oder Band-, und/oder mit einem Wirbelschichttrockner, bis zu einem gewünschten Restfeuchtigkeitsgehalt von 6 bis 25 Prozent, auch 10 bis 20 Prozent, oder auch 12 bis 15 Prozent, getrocknet.
[92] Die Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukte des oben beschriebenen
Verfahrens umfassen Brennstoffe von Torf, über Braunkohle bis zu Steinkohleähnliche Brennstoffe, Humus, Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte, sowie kohlenstoffhaltige Werkstoffe wie Dämmstoffe, Nanoschwämme, -kügelchen, - fasern, -kabel, Aktiv- oder Sorptionskohle, Grillkohleersatzstoff, hochverdichtete Kohlenstoffprodukte und -Werkstoffe und insbesondere auch Ausgangs Stoffe für Graphit und graphithaltige oder -artige Produkte sowie Kohlenstofffasern und Ausgangsstoffe für Verbund- oder Faserverbundwerkstoffe.
[93] Die Anmeldung betrifft ferner die Verwendung des anmeldungsgemäß hergestellten Werk- und/oder Brennstoffs zur Erzeugung von Energie aus Biomasse.
[94] Biomasse umfasst im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen nachwachsende Rohstoffe, die als heimische Energieträger langfristig verfügbar sind, sowie alle flüssigen und festen organischen Stoffe und Produkte biologischer und biochemischer Vorgänge und deren Umwandlungsprodukte, die für dieses Verfahren einen ausreichend hohen Kohlenstoffanteil besitzen und auch sonst in Ihrer Zusammensetzung und Beschaffenheit zu wirtschaftlich nutzbaren Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukten durch das anmeldungsgemäße Verfahren einschließlich Brennstoffen verarbeitet werden können. Zum Beispiel zählen zu den Ausgangsstoffen Kohlenhydrate, Zucker und Stärken, land- und forstwirtschaftliche Erzeugnisse, auch speziell angebaute Energiepflanzen (schnell wachsende Baumarten, Schilfgräser, Getreideganzpflanzen u.a.), Soja, Zuckerrohr und Getreidestroh sowie biogene Rest-, Abfallstoffe und Nebenprodukte, Pflanzen und Pflanzenreste anderer Herkunft (Straßenbegleitgrün, Landschaftspflegegut u.a.), landwirtschaftliche Abfälle einschließlich Stroh, Zuckerrohrblätter, Abputzgetreide, unverkäufliche Partien an landwirtschaftlichen Erzeugnissen wie zum Beispiel Kartoffeln oder Zuckerrüben, verdorbene Silagepartien sowie sonstige Futterreste, Rasenschnittgut, Getreidestroh, Rübenblatt, Zuckerrohrblätter, kohlenstoffhaltige Rest- und Abfallstoffe einschließlich Biomüll, heizwertreiche Fraktionen von Haus- und Gewerbeabfällen (Restmüll), Klärschlamm, verschiedene Holzarten und -klassen einschließlich Waldholz, Bauholz, Paletten, Altmöbel, Sägemehl, Reste und Abfälle aus der Ernährungsindustrie einschließlich Küchen- und Speiseabfälle, Abfallgemüse, Altfette sowie Papier und Zellstoff, Textilien insbesondere aus Naturfasern und natürlichen Polymeren und tierische Exkremente einschließlich Gülle, Pferdemist und Geflügelkot. Kadaver und insbesondere Tierkadaver können auch zu Biomasse gerechnet werden.
[95] Unter Behandlung der Ausgangsstoffe und/oder des Fest-Flüssig-Gemisches im
Sinne der Anmeldung werden alle Einwirkungen auf das Fest-Flüssig-Gemisch verstanden, die der Umwandlung des Fest-Flüssig-Gemisches in die Reaktionsprodukte dienen, insbesondere die Zufuhr von Energie zur Ingangsetzung und Aufrechterhaltung der Umsetzungsreaktion, einschließlich der Behandlung des Fest- Flüssig-Gemisches bei einer Temperatur von über 100 Grad Celsius und einem Druck von über 5 bar .
[96] Bearbeitung der Biomasse und/oder des Fest-Flüssig-Gemisches im Sinne der
Anmeldung ist die Bearbeitung der Ausgangsstoffe, Reaktions- und/oder Zwischenprodukte in verschiedenen Schritten vor und nach dem chemischen Umsetzung- sprozess . Bearbeitung umfasst sämtliche Schritte, Vorgänge und Einwirkungen auf die Reaktionspartner einschließlich der Vorbehandlung und/oder Nachbehandlung.
[97] Unter Vorbehandlung werden alle Einwirkungen verstanden, die bis zum Abschluss des Befüllungsvorgangs des Reaktionsraums und dem Beginn der Zufuhr von Energie zur Ingangsetzung der Umsetzungsreaktion auf das Fest-Flüssig-Gemisch einwirken. Insbesondere zählt zur Vorbehandlung auch eine Vorwärmung der Ausgangs Stoffe sowie eine Zerkleinerung mit vorwiegender, d.h. mehr als zwei Drittel der Bestandteile des Reaktionsgemischs, Partikelgröße von unter 10 mm innerhalb oder außerhalb des Reaktionsraums .
[98] Fest-Flüssig-Gemische im Sinne der Anmeldung sind alle Suspensionen, Dispersionen und sonstigen dispersen Systeme, einschließlich flüssigkeitshaltiger Feststoffe, insbesondere Biomasse. Das anmeldungsgemäße Verfahren findet insbesondere Anwendung für solche Fest-Flüssig-Gemische, die während des Reaktionsverlaufs auf physikalischem oder chemischem Wege zur Erhöhung des Gehalts der flüssigen Phase beziehungsweise an Lösungsmittel und/oder zur physikalischen oder chemischen Veränderung des Feststoffs führen, die eine verbesserte Fest- Flüssig-Trennung oder veränderte Verhältnisse mit höheren Feststoffanteilen ermöglichen. Ausgangsstoffe sind in diesem Zusammenhang flüssigkeitshaltige oder nicht-flüssigkeitshaltige Feststoffe, die zur Herstellung des Fest-Flüssig-Gemisches eingesetzt werden. [99] Aufarbeitung und/oder Konditionierung der Reaktionsprodukte und/oder
Nebenprodukte im Sinne der Anmeldung umfasst alle Einwirkungen auf die Neben- und/oder Endprodukte der Umsetzungsreaktion, mittels derer diese in die gewünschte oder erforderliche Form gebracht werden. [100] Unter semikontinuierlichem oder kontinuierlichem Verfahren im Sinne der
Anmeldung ist die Herstellung von Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukten im Technikums- und/oder industriellem Maßstab zu verstehen, bei der mindestens ein Kriterium, oder auch zwei oder auch mehrere der unten angeführten Kriterien erfüllt sind:
[101] 1. Die Temperatur, insbesondere in mindestens einem Druckbehälter, Reaktor oder Anlagenbestandteil, liegt über mindestens zwei Reaktionszyklen hinweg kontinuierlich oberhalb von 40 bis 90 Grad Celsius, bevorzugt von 60 bis 70 Grad Celsius und/oder oberhalb der Siedetemperaturen des Prozesswassers bei einem bar Absolutdruck, so dass ein längerer unmittelbarer und folgenloser händischer Kontakt mit der direkt mit dem Reaktionsgemisch in Berührung stehenden Behälterwand von über einer Minute nur mit Hilfsmitteln, isolierenden Stoffen oder zusätzlicen Vorrichtungen möglich ist. 2. Der Druck, insbesondere in mindestens einem Druckbehälter, Reaktor oder
Anlagenbestandteil, liegt über mindestens zwei Reaktionszyklen hinweg kontinuierlich oberhalb von einem bar Absolutdruck. Mindestens zwei Behälter, davon mindestens ein Reaktor, sind in einer Weise miteinander verbunden, dass ein Transport, Druckausgleich oder die Speicherung von komprimierten Medien realisiert werden kann.
3. Die Bearbeitung der Ausgangsstoffe, Fest-Flüssig-Gemische, Reaktions-, Neben-, Zwischen- und/oder Endprodukte oder andere Reaktionsteilnehmer wird in mehr als einem Behälter innerhalb der Anlage durchgeführt.
4. Das Gesamtvolumen der Behälter, in denen diese Bearbeitung stattfindet und die gleichzeitig jeweils feste Bestandteile der Anlagen sind, beträgt mindestens 500 Liter wobei mindestens einer dieser Behälter, nicht allein händisch sondern nur mit zusätzlichen Hilfsmitteln zu bewegen ist.
5. Es wird ein vorbehandeltes kohlenstoffhaltiges Fest-Flüssig-Gemisch und/ oder unterschiedliche Arten von Ausgangsstoffen, Biomassen oder Kohlenstoffverbindungen, insbesondere von unterschiedlicher Beschaffenheit und Konsistenz, während eines Reaktionszyklus eingesetzt.
6. Verschiedene Ausgangs Stoffe der Fest-Flüssig-Gemische, Reaktions-, Neben-, Zwischen- und/oder Endprodukte und/oder andere Reaktionsteilnehmer, einschließlich Katalysatoren und/oder Treib- oder Temperierungsmittel wie zum Beispiel Wasser, insbesondere Prozesswasser und/oder Gas wie Prozess- /Synthesegas, werden während eines Reaktionszyklus gleichzeitig, zeitversetzt, kontinuierlich oder diskontinuierlich dem Reaktionsgemisch zugeführt oder abgezogen.
7. Die Vorgänge unter 6. finden statt, während dieTemperatur vonDruckbehälter, Reaktor oder anderen Anlagenbestandteilen oberhalb von 60 bis 70 Grad Celsius oder oberhalb der Siedetemperaturen des
Prozes s wassers bei einem bar Absolutdruck oder während der Druck mindestens eines Anlagenbestandteils oberhalb von einem bar Absolutdruck liegt.
8. Das Reaktionsgemisch wird innerhalb eines zusammenhängenden Prozesses, insbesondere innerhalb einer Anlage, behandelt.
9. Vor und/oder während des Reaktionszyklus werden die Ausgangs Stoffe oder das Reaktionsgemisch in Bewegung versetzt durch Einbringung von kinetischer Energie, insbesondere durch mindestens ein Rühr- oder Mischsystem oder eine Kombination von Rühr- oder Mischsystemen gleich welcher Art, bevorzugt unter Beteiligung mindestens eines nicht mechanischen Rühr- oder Mischsystems, wobei bei Verwendung eines einzelnen Systems, dieses keine magnetische Kupplung mit nur einer Welle aufweist und gleichzeitig auch nicht elektrisch betrieben wird.
10. Vor und/oder während des Zyklus wird den Ausgangsstoffen oder dem Reaktionsgemisch thermische Energie zu- und/oder abgeführt wird, insbesondere unter Verwendung mindestens eines Temperierungs Systems oder einer Kombination aus verschiedenen Systemen oder Vorrichtungen, wobei bei Verwendung eines einzelnen Systems dieses vorzugsweise kein handelsüblicher Ofen ist und/oder keine wandständige Wärmeübertragung durch ein mit wenigen Handgriffen trennbares beheiztes Mantelgefäß, das elektrisch betrieben wird, aufweist. [102] Unter Behälter wird ein nach oben offener oder geschlossener Gegenstand verstanden, der in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, der insbesondere dem Zweck dient, seinen Inhalt von seiner Umwelt zu trennen. Ein Behälter, in dem die Umsetzungsreaktion, d. h. die Behandlung des Fest-Flüssig-Gemisches, und/oder die Bearbeitung des Fest-Flüssig-Gemisches durchgeführt wird, beispielsweise ein Druckbehälter oder ein Reaktor, wird durch einen nach außen abgeschlossenen Reaktionsraum oder Druckbehälterraum gebildet.
[103] Als Reaktor wird insbesondere ein Behälter bezeichnet, in dem entscheidende Reaktionsschritte stattfinden. Als entscheidende Reaktionsschritte sind insbesondere die Schritte zu verstehen, die zum großen Teil zum Beispiel in einem Temperatur- und Druckbereich ablaufen, der im Durchschnitt vorliegen muss, um mindestens 10 bis 30 Prozent der Ausgangs Stoffe in eines der genannten Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukte umwandeln zu können.
[104] Reaktionsräume oder Druckbehälterräume werden definiert durch das Vorliegen von räumlichen Bereichen auch innerhalb nur eines Reaktions- oder Druckbehälterraums, in denen messbare voneinander abweichende Reaktionsbedingungen herrschen. Eine abweichende Reaktionsbedingung kommt dabei durch eine konstruktive, mechanische, strömungs- und/oder phasenbedingte, chemische, elektrische, oder elektrochemische oder anders geartete Einwirkung zustande. Die zu diesem Zweck verwendete Vorrichtung geht in der Regel über ein elektrisch betriebenes Rühr- oder Mischsystem mit einer einzigen Welle mit magnetischer Kupplung sowie über eine wandständige Wärmeübertragung einer druckbelasteten glatten Innenseite der äußeren Reaktorwand durch ein mit wenigen Handgriffen trennbares beheiztes Mantelgefäß, das elektrisch betrieben wird, eines Autoklaven für Laborzwecke hinaus.
[105] Als Reaktionszyklus, Zyklus oder Reaktion wird die Dauer einer einzelnen Umsetzungsreaktion verstanden, die mit der Einbringung der Ausgangsprodukte in den Reaktionsraum und der Zufuhr von Energie beginnt, die der Ingangsetzung der Umsetzungsreaktion dient. Ein Zyklus dauert vom Start des Reaktionsprozesses bis zum Vorliegen des gewünschten Reaktionsprodukts im Reaktionsgemisch ohne Nachbehandlung oder Konditionierung beziehungsweise bis zur Beendigung des Reaktionsprozesses. [106] Zu Rühr- oder Mischsystemen zählen Vorrichtungen, die die Energie mechanisch oder mittels Ultraschall, strömungsbedingt, thermisch oder konstruktionsbedingt auf das Reaktionsgemisch übertragen und dadurch eine Bewegung des Reaktorinhalts durch Durch- oder Aufmischen bewirken. Dazu zählt auch die Bewegung des Reak- tionsgemischs durch Vorrichtungen wie Pumpen, Flüssigkeitsstrahlmischer, Düsen sowie mechanische und thermische Mischer oder die Führung des Reaktionsgemischs entlang von Druckgradienten.
[107] Eine Anlage besteht aus mindestens zwei Vorrichtungen oder Einrichtungen zur
Durchführung des anmeldungsgemäßen Verfahrens. Mindestens zwei Behälter, davon mindestens ein Reaktor, können in einer Weise miteinander verbunden sein, dass ein Druckausgleich oder die Speicherung von komprimierten Medien realisiert werden kann. Ein fester Bestandteil der Anlage ist eine Vorrichtung beziehungsweise ein Behälter, dann wenn im Falle eines Ausfalls dieses Bestandteils, die Effizienz des Verfahrens insbesondere in wirtschaftlicher Hinsicht um mindestens zwei, bevorzugt um fünf und besonders bevorzugt um mindestens zehn Prozent eingeschränkt ist.
[108] Ein zusammenhängender Prozess liegt vor, wenn Vorrichtungen oder Einrichtungen einer Anlage gemeinsam genutzt werden. In einer solchen Anlage können mehr als 200 Kilogramm eines Ausgangs Stoffes pro Woche bezogen auf die Trockensubstanz verarbeitet werden. Eine Anlage wird dann gemeinsam genutzt, wenn Vorrichtungen oder Einrichtungen miteinander oder durch Leitungsverbindungen oder räumlich durch Wege miteinander verbunden sind, die einen Austausch von Ausgangs- , Zwischen-, Neben- und Reaktionsprodukten sowie anderen Reaktionsteilnehmern beziehungsweise die gemeinsame Nutzung desselben innerhalb eines Radius von 50 km erlauben.
[109] Der Beginn oder das Einsetzen der Reaktion oder des Reaktionsprozesses ist durch das Erreichen mindestens eines Zielparameters der Reaktionsführung einschließlich Druck oder Temperatur gekennzeichnet, bei denen die Umsetzungsreaktion der hydrothermalen Karbonisierung über einen Zeitraum von mindestens einer Stunde stattfinden kann. Das Ende des Reaktionsprozesses ist durch das kontinuierliche Verlassen mindestens eines der Zielparameter der Reaktionsführung vor der Entleerung des Reaktionsraums charakterisiert.
[110] Reaktions-, Zwischen- oder Nebenprodukte oder -partner im Sinne der
Anmeldung sind alle festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe, die sich unabhängig von ihrer Aufenthaltsdauer im Reaktionsraum unter Betriebsbedingungen (Druck größer 5 bar, Temperatur größer 100 Grad) befinden oder befunden haben.
[111] Fest-/Flüssiggemische im Sinne der Anmeldung sind alle Suspensionen, Dispersionen und sonstigen dispersen Systeme, einschließlich flüssigkeitshaltiger Feststoffe, insbesondere Biomasse. Die anmeldungsgemäße Vorrichtung findet ins- besondere Anwendung für solche Fest-Flüssig-Gemische, die während des Reaktionsverlaufs auf physikalischem oder chemischem Wege zur Erhöhung des Gehalts der flüssigen Phase beziehungsweise an Lösungsmittel und/oder zur physikalischen oder chemischen Veränderung des Feststoffs führen, die eine verbesserte Fest- Flüssig-Trennung oder veränderte Verhältnisse mit höheren Feststoffanteilen ermöglichen.
[112] Suspensionen und Dispersionen sind beides heterogene Fest-Flüssig-Gemische. Unter Suspension wird ein heterogenes (nicht mischbar) Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und einem Feststoff verstanden. Eine Suspension besitzt mindestens eine feste Phase und mindestens eine flüssige Phase. Zu dispersen Systemen, d.h. binäre Mischungen aus kleinen Partikeln und einem kontinuierlichen Dispersionsmedium, zählen kolloidale Dispersionen, Mizellen, Vesikel, Emulsionen, Gele u. Aerosole wie beispielsweise Anstrichfarben, Emulsionen und Schäume.
[113] Unter Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukten werden im Sinne der Anmeldung Verbindungen verstanden, die Zwischen-, Neben-, Endprodukte oder Reaktionspartner von Maillard-Reaktionsprodukten sind und über ähnliche chemische, physikalische oder biologische Eigenschaften verfügen können. Zu diesen Verbindungen zählen zum Beispiel die Advanced Glycation Endproducts (AGE) die durch Umlagerung der primären Amadori-Produkte entstehen und weiter zu den Endprodukten der Maillard- Reaktion, den Advanced Glycation Endproducts (AGE) reagieren. Durch Umlagerung und Polymerisation können die AGEs Quervernetzungen mit anderen Proteinen ausbilden. Aufgrund des Entstehungsweges gibt es sehr viele verschiedene und komplexe Formen von AGEs, wobei Nε-(carboxymethyl)Lysin (CML), Furosin und Pentosidin bisher am intensivsten untersucht wurden.
[114] Unter Polytetrafluorethylen (PTFE)-ähnlichen Stoffenwerden Stoffe und Verbindungen ähnlicher, verwandter oder nicht- verwandter Klassen verstanden, die mindestens eine oder mehrere Eigenschaften von Polytetrafluorethylen wie zum Beispiel Reaktionsträgheit, sehr geringen Reibungskoeffizienten, sehr niedrige Brechzahl, hohe Wärmebeständigkeit, geringe Haftbeständigkeit von Oberflächen- Verschmutzungen oder glatte Oberfläche besitzen.
[115] Brennstoffe sind Stoffe, die zur Energieerzeugung dienen und beispielsweise mittels thermischer, chemischer, elektrischer oder anderer Verfahren in Energie umgesetzt werden.
[116] Werkstoffe sind Stoffe, die durch Weiterverarbeitung, Behandlung oder Konditionierung in ein Produkt weiterverarbeitet werden oder als Arbeitsgegenstände in ein Endprodukt eingehen.
[117] Im Folgenden wird der Gegenstand der Anmeldung beispielhaft näher erläutert.
[118] Der Prozess der stofflichen Umsetzung der Ausgangsstoffe beziehungsweise der Biomasse innerhalb des anmeldungsgemäßen Verfahrens lässt sich grob in vier Phasen unterteilen: [119] 1. AufwärmphaserDie Biomasse wird auf Temperatur und Druck gebracht.
Durch Zuführung von Energie wird die Depolymerisationsphase eingeleitet. Bereits während der Aufwärmphase kommt es initial insbesondere bei Biomassen mit hohem Kohlehydratanteil zu Quellungsreaktionen. Dabei wird Wasser zwischen Polysacchariden in der Zellwand eingelagert. Während des Quellungsprozesses kommt weiter vorübergehend zur Ausbildung von gallertartigen im weiteren Verlauf auch kolloidalen Strukturen, die sich im weiteren Verlauf der Depolymerisationsphase wieder auflösen.
2. DepolymerisationsphaserDabei werden die ursprünglichen Strukturproteine aufgelöst, die insbesondere im Fall von pflanzlicher Biomasse vor allem aus polymerisierten Strukturproteinen Cellulose, Hemicellulose und Lignin bestehen. Es entstehen mono- und oligomere Kohlenstoffverbindungen. Je höher der Anteil an widerstandsfähigen und vernetzten Strukturproteinen ist und je kleiner die Oberfläche der Ausgangs Stoffe ist, desto mehr Zeit wird für die Depolymerisationsphase benötigt. Gleichzeitig kommt es zur Hydrolyse, das heißt es kommt zur Spaltung von chemischen Verbindungen durch Reaktion mit Wasser. Je höher der Anteil an Kohlehydraten, nichtpflanzlichen und Nichtstruktur-Proteinen und Fetten, beziehungsweise je geringer der Anteil an lignocellulosehaltiger Biomasse desto schneller verläuft diese Phase. Gegen Ende dieser Phase steigt die Wärmeenergiefreisetzung an und es hat sich ein Rohöl- ähnlicher Stoff gebildet.
3. PolymerisationsphaserDie monomerisierten und unvernetzten Kohlenstoffverbindungen werden neu strukturiert und vernetzt. Es bilden sich Ag- glomerate, die sich makroskopisch an die ursprünglichen Grobstrukturen der Ausgangs Stoffe anlehnen, aber den inneren Zusammenhalt im Hinblick auf die übergeordnete Struktur verloren haben und damit auch ihre Fasrigkeit und Festigkeit. Die neu gebildeten Strukturen, die eine höhere Brüchigkeit und Porosität aufweisen, bestehen in Zwischen- aber auch in Endstadien aus kleinen Partikeln mit einem Durchmesser von einigen hundert Mikrometern bis zu 5 Nanometer und kleiner.Es bilden sich neue Kohlenstoffverbindungen, die Ähnlichkeiten mit denen in natürlicher Kohle aufweisen. Sie bestehen unter anderem aus verschiedenen Kohlenstoffverbindungen sowie Terpend- erivaten, deren Kohlenstoffgehalt zunimmt und deren Wasserstoff- und Sauerstoffanteil bezogen auf den prozentualen Massenanteil der Elemente (Trockenmasse) abnehmen. Zu den wichtigsten Unterscheidungsmerkmalen gegenüber fossilen Brennstoffen zählt vor allem das Vorliegen von Maillard- Reaktionsprodukten in der flüssigen und festen Phase der Reaktionsprodukte.
4. StabilisierungsphaserWährend die Depolymerisations- und Polymerisationsphase exotherm ablaufen, nimmt in dieser Phase die Wärmeenergiefreisetzung deutlich ab und die Reaktion läuft in der Stabilisierungsphase aus und kommt schließlich zum Stillstand.
[120] Die Eigenschaften des Reaktionsprodukts wie Reinheitsgrad, Form, Struktur, Dichte, Festigkeit, Partikelgröße, Oberflächenstruktur, Zusammensetzung, Verbrennungseigenschaften, Brennwert und Energiegehalt sind abhängig von den Verfahrens- beziehungsweise Reaktionsbedingungen, also von den Parametern, die für die Steuerung des anmeldungsgemäßen Verfahrens, das heißt für die Prozessführung, verantwortlich sind. Die Reaktions- beziehungsweise Verfahrensführung wird unter anderem durch folgende Faktoren beeinflusst: [121] 1. Zusammensetzung und Eigenschaften der Edukte einschließlich Dichte,
Partikelgröße, Feuchtigkeitsgehalt, Reinheit, Kohlenstoff-, Mineralien- und Alkaligehalt etc.
2. Verhältnis zwischen fester und flüssiger Phase beziehungsweise Trockenmasse und Prozesswasser.
3. Temperatur, Druck, sowie die Schwankungsbreite dieser Parameter.
4. Katalysatoren: Auswahl, Zusammensetzung, Konzentrationen, Partikelgröße, Mischungsverhältnis und Zuführungszeitpunkte. Die Reaktion kann beschleunigt und gelenkt werden durch die Zuführung von Katalysatoren beziehungsweise Katalysatorgemischen zu späteren Zeitpunkten im Reaktionsverlauf. Dadurch kann die Eigenschaften des Reaktionsprodukts beeinflusst werden. Eine wesentliche Rolle zur Formgebung und Struktur des Endprodukts spielt die Partikelgröße des metallischen Katalysators. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird wesentlich durch die Stärke der Säure (p^s-Wert) mitbestimmt.
5. Wärmeaustauschsysteme und Geschwindigkeit von Temperaturanpassungen, pH-Wert, Konzentrationsverhältnisse, auch im Prozesswasser.
6. Stoffliche oder chemische Veränderungen des Reaktionsgemischs beispielsweise durch Hydrolyse: Unter anderem Zunahme der Dichte und Brüchigkeit während der Umsetzungsreaktion.
7. Geschwindigkeit der Polymerisation, denn desto schneller der Verlauf der Polymerisation, desto reiner das Reaktionsprodukt.
8. Art der Durchmischung und des Energieeintrags, Strömungsgeschwindigkeit und Scherkräfte sowie Mischungsintervalle und Zeitpunkte.
9. Prozesswasser: Konzentration von Alkalisalzen, Säuren, Elementen wie Chlor, Schwefel und ihre Salze sowie Metalle und Mineralien einschließlich Phosphor- und Nitratverbindungen. Aufreinigungsverfahren des Prozes s wassers während und außerhalb des laufenden Prozesses.
10. Konzentration von Störstoffen wie zum Beispiel Sand oder Stoffe, die den Reaktionsverlauf behindern, verlangsamen, verzögern oder zu unerwünschten Nebenprodukten oder aus Ausfällungen führen.
11. Art der Durchführung einschließlich der Intensität und Dauer der hier genannten Verfahrensschritte.
12. Auswahl, Kombination, Zusammenwirken und Steuerung der Temperierungsund Mischsysteme.
13. Auswahl, Kombination, Leistungsfähigkeit und Effizienz der Prozesswasseraufbereitung und -führung einschließlich Berücksichtigung der erforderlichen Anpassung an variable Reaktionsvolumina durch die Prozes s wasser- und Stoffzufuhr beziehungsweise -entnähme.
[122] Weitere Verfahrensschritte können sein:
[123] 1. Bereitstellung von Ausgangsstoffen einschließlich Biomasse, Ausgangsstoffen, Katalysatoren und Wasser.
2. Vorbehandlung
3. Überführung der Ausgangsstoffe in ein Transportsystem und/oder -behälter
4. Überführung der Ausgangsstoffe in den für den jeweiligen Bearbeitungs- oder Behandlungsschritt geeigneten Behälter
5. Entwässerung und/oder Trocknung der Ausgangsstoffe
6. Zerkleinerung der Ausgangsstoffe und gegebenenfalls der Katalysatoren
7. Metall- und Störstoff entfernung
8. Inkubation mit Katalysator, insbesondere mit Säure
9. Beimischung eines oder mehrerer weiterer Katalysatoren
10. Vorwärmung der Biomasse
11. Verdichtung, zum Beispiel bei Einführen in den Reaktor
12. Einbringen in Druckbehälter oder Reaktionsraum
13. Aufwärmen
14. Prozes s was seraufbereitung und Luftreinigung
15. Ausbringung des Reaktionsprodukts aus dem Reaktionsraum
16. Abtrennung vonReaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukteaus dem Reaktionsgemisch
17. Trocknen des gewünschten Reaktionsprodukts
18. Zerkleinern des gewünschten Reaktionsprodukts
19. Abkühlen des gewünschten Reaktionsprodukts
20. Konditionierung 21. Energiegewinnung, insbesondere durch thermische Verwertung.
[124] In verschiedenen Schritten vor und nach dem chemischen Umsetzungsprozess werden die Ausgangsstoffe sowie die Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte bearbeitet. Die Bearbeitungsschritte zielen auf eine Stoffumsetzung im industriellen oder Technikumsmaßstab ab. So ist unter Bearbeitung mehr als ein händisches Zerlegen oder eine manuelle Zerkleinerung mit einer Schere zu verstehen. Die Bearbeitung der Biomasse und/oder Aufarbeitung der Reaktionsprodukte und/oder der Nebenprodukte geht beim anmeldungsgemäßen Verfahren über ein elektrisch betriebenes Rühr- oder Mischsystem mit einer einzigen Welle mit magnetischer Kupplung sowie über eine wandständige Wärmeübertragung einer druckbelasteten glatten Innenseite der äußeren Reaktorwand durch ein mit wenigen Handgriffen trennbares beheiztes Mantelgefäß, das elektrisch betrieben wird, hinaus. Sie umfasst auch die unter Punkt 9 und 10 der für das semikontinuierliche oder kontinuierliche Verfahren genannten Kriterien zum Rühr- oder Mischsystem und/oder Temperierungssystem.
[125] Die Biomasse kann in der Regel bereits vor der Lagerung und besonders vor dem eigentlichen Umsetzungsprozess, insbesondere vor und/oder nach dem Einfüllen in den Reaktionsraum, zerkleinert werden. Die Zerkleinerung erfolgt insbesondere auf mechanischem Wege bevorzugt durch Häckseln und besonders bevorzugt mittels einer Vorrichtung zum Mahlen beispielsweise einer Schrotmühle. Je nach Ausgangsstoff und gewünschter Partikelgröße kommen unterschiedliche Häcksler- und/oder Mühlentypen zum Einsatz. Die Partikelgröße hat einen Einfluss auf den Reaktionsverlauf. Denn je kleiner die Partikelgröße desto größer ist die Oberfläche der Ausgangsstoffe. Je größer die Oberfläche der Reaktionspartner, desto schneller die chemische Umsetzung. Daher kann die Partikelgröße der zerkleinerten Biomasse unter 10 cm, auch unter 1 cm und auch unter 2 mm liegen. Der Energie-, Zeit-, und Materialaufwand beim Zerkleiner- ungsprozess ist dabei von der Prozessführung und insbesondere von der Beschaffenheit des Ausgangsstoffs, Partikelgröße und Verweildauer abhängig.
[126] Teil der Vorbehandlung ist auch die Inkubation in einem sauren Milieu oder Medium bei einem pH- Wert, der unter 6, auch unter 5, und auch unter 4, insbesondere unter 3 und dabei auch unter 2 liegt. Die erforderliche Zeitdauer dieses Schrittes nimmt mit zunehmender Zerkleinerung und mit sinkendem pH-Wert ab. Die Inkubation bei saurem pH- Wert kann beispielsweise nach dem Zerkleinern erfolgen.
[127] Insbesondere metallische, anorganische oder sandähnliche Stoffe und andere
Störstoffe werden von der Biomasse getrennt. Es werden Verfahren und Prozesse angewandt, wie sie im Rahmen der Behandlung von Biomasse und Biomüll zum Beispiel in Biogasanlagen etabliert sind.
[128] Nach Vorinkubation im sauren Medium aber auch zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt kann ein Katalysator mit oder ohne Zugabe von Wasser und/oder in einer wässrigen Lösung dazu gegeben werden. Der Katalysator kann aus mindestens einer oder auch mehreren, verschiedenen Komponenten bestehen. Diese bilden dann gemeinsam ein Katalysatorgemisch. Eine Komponente des Katalysators kann beispielsweise aus einer Säure bestehen. Die Reaktionsführung wird entscheidend durch Auswahl, Zusammensetzung, Konzentrationen, Partikelgröße, Mischungsverhältnis, Zuführungszeitpunkte der Katalysatoren beeinflusst. Diese Katalysator- abhängigen Faktoren haben daher großen Einfluss auf die Formgebung, Gestalt und Eigenschaften des Endprodukts. Eine wesentliche Rolle zur Formgebung und Struktur des Endprodukts spielt die Partikelgröße des metallischen Katalysators. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird auch durch die Stärke der Säure (p^-Wert) bestimmt. Werden zum Beispiel Partikel kleiner zehn Mikrometer, bevorzugt 200 bis 1000 Nanometer und besonders bevorzugt 10 bis 199 Nanometer eingesetzt, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Ausbildung gleichmäßiger faserähnlicher Nanostrukturen. Je kleiner die Partikelgröße desto klarer definiert sind die faserartigen Strukturen der neuen Kohlenstoffverbindungen. Allerdings spielt für die Lenkung des Reaktionsverlaufs zur Herstellung von definierten Nanostrukturen der Kohlehydratgehalt sowie die Partikelgröße und eine möglichst einheitliche Partikelgröße des Ausgangs Stoffs eine Rolle. Die Reaktion kann beschleunigt und gelenkt werden durch den Zeitpunkt der Zuführung von Katalysatoren beziehungsweise Katalysatorgemischen. Auch eine Zuführung zu späteren Zeitpunkten im Reaktionsverlauf kann in Abhängigkeit vom erwünschten Endprodukt sinnvoll sein. Als Säuren kommen auch anorganische Säuren zum Einsatz, bevorzugt Mineralsäuren, besonders bevorzugt starke Säuren, das heißt Säuren mit einem möglichst niedrigem pKs. Die eingesetzten Säuren und ihre Reaktionsprodukte sollen nicht giftig sein und eine minimale korrosive Wirkung haben. Weiter sollen sie im Reaktionsprodukt möglichst nicht mehr nachweisbar sein und stoffliche Bestandteile möglichst leicht aufzureinigen sein. Schwefelsäure, die auch Lebensmittelzusatzstoff Verwendung findet, erfüllt die meisten Anforderungen und ist daher besonders geeignet. Es können auch verschiedene Säuren kombiniert werden. Alternativ oder zusätzlich werden Carbonsäuren und insbesondere Protonensäuren eingesetzt. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer Di- oder Tricarbonsäure, und vor allem von Weinsäure oder Zitronensäure herausgestellt. Sowohl Zitronensäure als auch Weinsäure sind kristallin und nicht toxisch. Beide kommen in der Natur in Früchten vor (Zitronensäure in Zitrusfrüchten wie zum Beispiel Zitronen, Weinsäure in Weintrauben). Die Säure, die als Katalysatorkomponente eingesetzt wird, kann gleichzeitig auch zur Herstellung des sauren Mediums für den Inkubationsschritt eingesetzt werden. Die Konzentration der Säure ist unter anderem abhängig vom pKs-Wert und beträgt etwa bezogen auf das Volumen 0, 1 bis 3 Prozent 0,6 bis 2 Prozent und besonders bevorzugt 0,3 bis 1 Prozent. Eine Vorinkubation des Ausgangsstoffs mit Säure verkürzt die Reaktionszeit. Je länger die Vorinkubation, je stärker die Säure und je höher ihre Konzentration desto kürzer die Reaktionszeit. Der Katalysator oder das Katalysatorgemisch kann, insbesondere auch zusätzlich, ein oder mehrere Metalle umfassen. Es kommen vorzugsweise Übergangsmetalle wie Eisen, Nickel, Cobalt, Eisen, Kupfer, Chrom, Wolfram, Molybdän oder Titan zum Einsatz, wobei sich Eisen als besonders vorteilhaft herausgestellt hat. Die Zugabe des Katalysators kann vor Einbringung in den Reaktor aber auch zu anderen Zeiten während des Verfahrens erfolgen. Weiter können unterschiedliche Katalysatorgemische beziehungsweise -Zusammensetzungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten dem Reaktionsgemisch zugeführt werden.
[129] Die Biomasse wird gründlich mit dem Katalysator beziehungsweise Katalysatorgemisch vermischt. Der Katalysator bildet dann mit der Biomasse gemeinsam ein Reaktionsgemisch. Alternativ findet der Vermischungsvorgang innerhalb eines Reaktors statt. Die Verdichtung des Reaktionsgemischs kann in einem oder mehreren Schritten sowohl außerhalb als auch innerhalb eines Reaktors erfolgen. Vorteilhaft ist eine hohe Verdichtung, die wiederum eine bessere Ausnutzung des Reaktionsraums bedeutet. Das Maß der Verdichtung ist abhängig von der Förderbarkeit in einen Reaktor, vom gewünschten Reaktionsprodukt und von der Prozessführung. Das Reaktionsgemisch kann nach der Vorbehandlung beispielsweise auch in einen Reaktor eingeführt werden.
[130] Eine Vorwärmung kann beispielsweise vor der Einführung von Reaktionsbestandteilen in den Druckbehälterraum stattfinden. Es können sämtliche Reaktionspartner vorgewärmt werden. Unter den Ausgangs Stoffen können alle aber insbesondere die Biomasse bis zu etwa 60 - 90 Grad Celsius erwärmt werden. Die Vorwärmung erfolgt zum Beispiel durch Zuführung von Wärmeenergie und insbesondere durch Zugabe von fast siedendem Prozesswasser, vorgewärmter Biomassesuspension oder anderem Wasser bei etwa einem bar Absolutdruck oder durch Zuführung von Wasser- oder Prozessdampf oder anderen Wärmeenergieträgern. Alternativ oder ergänzend kann dazu Wärmeenergie aus Wärmetauscherprozessen eingesetzt werden.
[131] Die Reaktionszeit liegt je nach gewünschtem Reaktionsprodukt zwischen einer bis 60 Stunden, bevorzugt zwischen drei und 40 Stunden, besonders bevorzugt zwischen fünf und 18 Stunden. Die Reaktionszeit gilt als abgelaufen beziehungsweise die Reaktion als abgeschlossen, wenn keine nennenswerte Enthalpie mehr freigesetzt wird. Eine minimale Vorbehandlung und/oder die Auslassung einzelner Vorbehandlungs schritte kann die Reaktionszeit auf über 60 Stunden erhöhen. Die Reaktionszeit ist insbesondere abhängig von der Zusammensetzung und den Eigenschaften des jeweiligen Ausgangsstoffs. Je größer die Oberfläche, je kleiner die Partikelgröße, je geringer der Lignin- oder Celluloseanteil und je höher der Kohlenhydratanteil, desto schneller wird die Wärmeenergie in der Depolymerisationsphase freigesetzt und desto schneller wird die Stabilisierungsphase erreicht und die Reaktions- beziehungsweise Verweilzeit reduziert sich. Je kürzer die Umsetzungszeit des jeweiligen Ausgangsstoffs ist, desto später kann dieser zum Beispiel in eine bereits angelaufene Reaktion im Reaktor eingebracht werden. Eine kürzere Reaktionszeit wird auch bei relativ hohen Anteilen an Fett und nicht-pflanzlicher, nicht vernetzter zum Beispiel tierischer oder bakterieller Proteine erzielt. Das Auslaufen der Wärmeenergiefreisetzung während des Reaktionsprozesses ist ein Zeichen für den Abschluss des Umsetzungsprozesses.
[132] Anmeldungsgemäß können Temperaturen von bis zu 300 Grad Celsius erzeugt werden. Vorteilhaft sind jedoch Temperaturen zwischen 185 bis 205 Grad Celsius und insbesondere bis 215 Grad Celsius und besonders bevorzugt bis 225 Grad Celsius.
[133] Anmeldungsgemäß wird unter Luftabschluss ein Druck aufgebaut, der beispielsweise zwischen 7 und 90 bar liegt. Vorteilhaft ist ein Druck zwischen 11 und 18 bar, auch zwischen 18 und 26 bar, und auch zwischen 26 und 34 bar.
[134] Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen anmeldungsgemäßen Reaktor mit weiteren Komponenten einer anmeldungsgemäßen Anlage.
[135] Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wandbereich des anmeldungsgemäßen Reaktors gemäß Figur 1.
[136] Die anmeldungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Reaktor, der in Abhängigkeit von den darin ablaufenden Prozessen, der eingesetzten Menge und Art der Feststoffe und/ oder vom gewünschten Reaktionsprodukt unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Mindestens einer der anmeldungsgemäßen Reaktoren kann beispielsweise ein Kaskaden-, Rohr-, Kreislauf-, Schlaufen-, Membran-, Wirbelschicht- und/oder ein Rührkessel- beziehungsweise Rührkesselreaktor sein oder einzelne Eigenschaften oder eine Kombination verschiedener Eigenschaften dieser Reaktoren aufweisen. Die Wirbelschicht des Reaktors ist vorzugsweise eine zirkulierende. Der anmeldungsgemäße Reaktor oder eine Kombination der verschiedenen Reaktoren können für unterschiedliche Behandlungszeitpunkte und B earbeitungs schritte innerhalb einer Anlage verwendet werden. Weiter kann der Reaktor aufgrund des erforderlichen Drucks als Druckbehälter ausgelegt sein. Die Auslegung der Druckbehälterform ist von der Prozessführung und von der angewandten Mischtechnik abhängig.
[137] In weiterer Ausgestaltung des Gegenstands der Anmeldung ist der Reaktor als eine Art Multimembran- Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht ausgebildet. Ein solcher reaktor vereinigt die vorteilhaften Eigenschaften verschiedener Membran- und Wirbelschichtreaktortypen. In diesem Zusammenhang versteht man unter Wirbelschicht eine Schüttung bzw. Ansammlung von Feststoffpartikeln, welche durch eine aufwärtsgerichtete Strömung eines Fluids in einen fluidisierten Zustand versetzt wird. Der Begriff 'fluidisiert' weist in diesem Zusammenhang darauf hin, dass die (ehemalige) Schüttung nun Fluid- ähnliche Eigenschaften aufweist (z.B. die von Wasser). Im Innenraum des anmeldungsgemäßen Reaktors befindet sich ein Fest- Flüssig-Gemisch. Die feinkörnige Schüttung des Feststoffs wird aufgewirbelt, wenn sie vom Gas oder von der Flüssigkeit - dem so genannten fluiden Medium - von unten nach oben durchströmt wird. Damit die Feststoffteilchen aufgewirbelt werden, muss das fluide Medium mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit hindurchströmen, die von den jeweiligen Reaktionsbedingungen abhängig. Aufgrund der Verwirbelung kann der Feststoff relativ leicht - zum Teil auch kontinuierlich - aus dem Reaktionsraum entfernt werden, wenn die Reaktion abgeschlossen ist. Entsprechend kann auch frischer Feststoff nachgeführt werden. Die Geschwindigkeit des Fluidstroms wird so eingestellt, dass der Feststoff mindestens so aufgewirbelt wird, dass sich eine stationäre Wirbelschicht bildet. Die Fluidgeschwindigkeit in diesem Zustand ist jedoch geringer als die Einzelkorn-Sinkgeschwindigkeit der Partikel. Durch Zusammenlagerung einzelner benachbarter Partikel ist deren Strömungswiderstand höher als der Strömungs widerstand eines einzelnen Partikels. Dies kann zur Ausbildung einer Suspensionsschicht mit definierter Oberfläche führen. Durch das Anlegen höherer Drücke an den Membranteilen kann die Geschwindigkeit des Fluidstroms erhöht werden. Durch den höheren Fluidstrom werden relativ viele Partikel aus der Bodenzone ausgetragen und die obere Schichtgrenze löst sich auf. Ein gewisser Anteil des Feststoffes fällt jedoch noch in der Wirbelschicht wieder in die Bodenzone zurück. Im sogenannten Freiraum oberhalb der dichten Zone bildet sich eine Strömung aus, bei der im relativ breiten Kern der Feststoff als dünne Suspension aufsteigt, während sich direkt am Rand des Reaktors der Feststoff in Clustern mit hoher Geschwindigkeit nach unten bewegt. Durch eine Positionierung der von mindestens vier Flüssigkeitsstrahlmischern, die möglichst gleichmäßig auf den Durchmesser und in möglichst gleichmäßigen vertikalen Abständen verteilt sind, und zusätzliche Mischer, die auch die Flächen unmittelbar oberhalb der Bodenbleche mit erfassen, wird die Ausbildung von Agglomeraten und Schichtgrenzen unterdrückt, so dass eine relativ homogene Aufwirbelung der Partikel erfolgt.
[138] Mit dem anmeldungsgemäßen Reaktors können bei sachgerechter Anwendung, insbesondere bei der Verwendung von Membranteilen, u.a. folgende Vorteile erreicht werden:
[139] 1. Die durch die beschleunigten Treib- und Fluidstrahlen erzeugten Turbulenzen führen zu hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen den kontinuierlichen Fluiden und der dispersen festen Phase
2. häufiger Partikel-Partikel-Stoß und auch Partikel-Wand-Stoß
3. intensive Vermischung der Partikel 4. beschleunigter Wärmeaustausch des Reaktionsgemisch mit dem Fluid
5. Minimierung von Ablagerung
6. kontrollierte Dosierung zum Beispiel von Wasser und Reaktanden während des Reaktionsprozesses.
[140] Der anmeldungsgemäße Reaktor kann eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisem.
[141] Der Reaktor kann mindestens einen Druckbehälter und mindestens eine Vorrichtung zur Fest-Flüssig-Trennung aufweisen und wird dann auch als Membranreaktor bezeichnet. Der Reaktor kann über mindestens eine Grob- und/oder eine Feinfiltration oder eine Kombination aus beiden Vorrichtungen verfügen, die auch in einer Filtrationsvorrichtung kombiniert werden kann. Mindestens einer der Druckbehälter kann über ein Rühr- und/oder Mischsystem verfügen, der dadurch als Rührkesselreaktor bezeichnet werden kann. Die Summe aller Reaktionsräume der Druckbehälter oder Reaktoren kann über ein Volumen von 0,5 bis 10.000 Kubikmeter verfügen, auch über 5 bis 2.000 Kubikmeter und auch von 50 bis 500 Kubikmeter. Die Summe aller Behältnisse einer Anlage einschließlich der Reaktionsräume der Druckbehälter oder Reaktoren, Silos und Lagerräume kann über ein Volumen von 0,5 bis 1.000.000 Kubikmeter verfügen, auch 10.000 bis 700.000 Kubikmeter und auch 50.000 bis 500.000 Kubikmeter. Je nach Ausgangsstoff und Biomasse kann der Wasseranteil der Biomasse bis zu 95 Prozent oder mehr des Gesamtgewichts betragen. Aus diesem Grund kann die Integration eines Entwässerungsprozesses, der der Umsetzungsreaktion vorgeschaltet ist, sinnvoll sein. Aufgrund des hohen Feuchtigkeitsgehalt und des geringen Schüttgewichts vieler Biomassen ist die Förderbarkeit begrenzt, so dass der initiale Feststoffanteil im Reaktionsraum etwa zwischen 5 und 30 Prozent liegen kann. Daher kann der Ertrag des Reaktionsprodukts im einstelligen Prozentbereich bezogen auf das gesamte Reaktionsraumvolumen liegen. Weiter ist dann der Einsatz relativ großer Reaktionsraumvolumina erforderlich. Dies kann durch eine Zusammenschaltung mehrerer Druckbehälter erfolgen. Durch eine Zusammenschaltung mehrerer Druckbehälter bzw. Reaktoren, zum Beispiel im Sinne einer Kaskade, und/ oder die Kombination verschiedener Reaktortypen kann eine günstigere Verweilzeitverteilung und somit höhere Umsätze durch eine verbesserte Steuerung des Prozessablaufs realisiert werden. Gleichzeitig kann den unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Reaktionsphasen und Teilschritte Rechnung getragen werden. Beispielsweise kann in einem Rohrreaktor ein günstigerer Wärmeaustausch stattfinden, in einem Rührkessel beziehungsweise Rührreaktor eine bessere Durchmischung und Rückvermischung. Durch die Aufteilung des Gesamtvolumens des Reaktors auf mehrere Druckbehälter wird die Transportfähigkeit einzelner Anlagenbestandteile einschließlich des Druckbehälters verbessert. Gleichzeitig wird durch die Zusammenschaltung mehrerer Druckbehälter bzw. Reaktoren die Realisierung eines kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Prozesses erleichtert. Mindestens ein Druckbehälter zur Aufnahme des in den Reaktoren gebildeten oder enthaltenen komprimierten Prozessgases kann eingesetzt und in die Anlage integriert werden.
[142] Durch die kontinuierliche Abtrennung bzw. den Abzug einzelner Reaktanden wie zum Beispiel Wasser während des Prozess Verlaufs kann der Feststoffanteil während des Verfahrens erhöht werden. Der Feststoffgehalt kann von ursprünglich zum Beispiel 15 Prozent auf 20 bis 30 Prozent, bevorzugt auf 31 bis 45 oder und besonders bevorzugt von 46 bis 70 Prozent in Abhängigkeit von der Reaktionsführung ansteigen. Gleichzeitig kann das Volumen pro Reaktor im Reaktionsverlauf abnehmen, schneller umsetzbare Ausgangsstoffe zugeführt werden oder ein höherer Durchsatz bezogen auf des Reaktorvolumen erzielt werden. Weiter ermöglicht eine Schaltung mehrerer Reaktoren in Serie, die voneinander zum Beispiel durch Ventile getrennt sind, eine gezieltes Befüllen beziehungsweise Nachfüllen einzelner Druckbehälter mit frischen Ausgangstoffen, Reaktanden oder Katalysatoren zwecks Erhöhung der Durchsatzraten. Die Überführung des Reaktionsgemischs von einem in den anderen Druckbehälter findet im Wesentlichen bei Betriebsbedingungen statt. Reaktor sowie alle mit den Reaktanden in Berührung stehenden Oberflächen und Bestandteile der Vorrichtung einschließlich der Armaturen und Rohrleitungen bestehen aus hitzebeständigen und korrosionsfesten Materialien und zwar bevorzugt aus Edelmetall vergleichbar mit den Qualität wie sie für die Membranteile unten beschrieben wurden. Die Wanddicke des Reaktors ist ausgelegt für Drücke zwischen 7 bis 20 bar, bevorzugt für Drücke zwischen 20 bis 30 bar und besonders bevorzugt für Drücke von 30 bis 40 bar sowie für Temperaturen zwischen 160 und 230 Grad Celsius bevorzugt bis 260 Grad Celsius und besonders bevorzugt bis 300 Grad Celsius. Die Temperatur, insbesondere in mindestens einem Druckbehälter, Reaktor oder Anlagenbestandteil, liegt über mindestens zwei Reaktionszyklen hinweg kontinuierlich oberhalb von 40 bis 90 Grad Celsius, bevorzugt von 60 bis 70 Grad Celsius und/oder oberhalb der Siedetemperaturen des Prozess wassers bei einem bar Absolutdruck, so dass ein längerer unmittelbarer und folgenloser händischer Kontakt mit der direkt mit dem Reaktionsgemisch in Berührung stehenden Behälterwand von über einer Minute nur mit Hilfsmitteln, isolierenden Stoffen oder zusätzlichen Vorrichtungen möglich ist
[143] Der anmeldungsgemäße Reaktor kann einen senkrecht stehenden zylindrischen
Grundkörper umfassen. Der obere Boden kann als Klöpperboden ausgebildet sein. Es kann im oberen Teil bevorzugt der oberen Hälfte und besonders bevorzugt in den oberen zwei Dritteln eine leicht kegelförmige Form aufweisen mit leicht wachsendem Durchmesser nach unten hin. Der kegelförmige Boden kann einen Winkel zur Reaktorachse von maximal 45 Grad, bevorzugt kleiner 40 Grad und besonders bevorzugt kleiner 35 Grad aufweisen. Die Übergänge zum Beispiel vom Wand- zum Bodenbereich können abgerundet sein, um Störungen des Strömungsflusses zu minimieren. Die Platzierung des Stutzens für die Zufuhr des Reaktionsgemischs kann variabel sein und befindet sich beispielsweise in der oberen Hälfte, bevorzugt im oberen Drittel des Druckbehälters. Die Zufuhr kann über ein Ventil über gemeinsam über den Auslassstutzen stattfinden, der sich etwa im Zentrum des Bodens beziehungsweise Kegelbodens befindet. Die Bauteile und Stutzen des Reaktors können durch Schweißen miteinander verbunden werden. Der Deckel kann angeflanscht sein. Bei einem vorrangigen Einsatz von Flüssigkeitsstrahlmischer und Vollstrahldüsen kann das Verhältnis von Durchmesser zur Höhe etwa bei eins zu zwei bis eins zu drei liegen, auch bei eins zu vier bis ein zu fünf und auch bei eins zu fünf bis eins zu sechs. Ein Membranreaktor ist eine Vorrichtung, die die Kombination mit mindestens einer chemischen Reaktion mit einem Membranverfahren oder einer Fest-Flüssig-Trennung erlaubt. Dabei sind beide Prozesse integral miteinander gekoppelt, so dass Synergien entstehen können. Gleichzeitig können beide Prozesse in einem einzigen Gehäuse oder einer Anlage untergebracht sein. Bei der chemischen Reaktion wird mindestens eine Komponente des Reaktionsgemisches umgesetzt. Durch den Einsatz eines Membranreaktors können Reaktions-, Zwischen-, Neben- und Endprodukten selektiv aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden, Edukte kontrolliert zugegeben oder der Kontakt der Edukte intensiviert werden. Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukten und insbesondere Wasser wird durch eine Fest-Flüssig-Trennung kontinuierlich oder in Intervallen aus dem Reaktionsgemisch entfernt. Dadurch lässt sich eine deutliche Umsatzerhöhung erzielen. Auch die Entfernung von gasförmigen Stoffen und insbesondere von gelöstem Sauerstoff kann sowohl für den Reaktionsverlauf als auch für die Verminderung von Korrosionen vorteilhaft sein. Durch die chemische Veränderung der Zusammensetzung und Eigenschaften einschließlich der Dichte insbesondere während der Polymerisationsphase wird die Fest-Flüssig-Trennung erleichtert. Dadurch kann eine höhere Feststoffkonzentration im Reaktionsgemisch erreicht werden. In Abhängigkeit vom Feststoffgehalt und vom Stadium des Umwandlungsprozesses wird das Reaktionsgemisch in einen Schlaufenreaktor überführt. Dabei wird das Reaktionsgemisch durch einen radial innen liegenden Zylinderabschnitt axial in eine erste Richtung und in einem radial außen liegenden Abschnitt axial in eine zweite entgegen gesetzte Richtung strömt. Bei Verwendung eines Schlaufenreaktors kann das innen liegende Rohr zum Beispiel mit Wärmetauscherelementen versehen werden, um den Wärmeaustausch zu beschleunigen und umso größere Reaktordurchmesser zu ermöglichen. Das innen liegende Rohr wird auch als Einsteck- oder Führungsrohr bezeichnet. Der Durchmesser des Führungsrohrs beeinflusst die Reibungs- und Umlenkdruckverluste der Schlaufenströmung. Diese steigt bei abnehmenden Durchmessern und gleicher Länge an. Wird ein zu großer Durchmesser gewählt, kann die Schlaufenströmung zusammenbrechen. Daher kann der Durchmesser des Einsteckrohrs etwa ein Viertel bis ein Drittel, maximal aber die Hälfte des Durchmessers des Reaktors betragen. Das Führungsrohr kann etwa im Abstand von einem Drittel, bevorzugt von einem Viertel, des Reaktordurchmessers vom Reaktorboden positioniert sein.
[145] Es herrschen reduktive Verhältnisse im Reaktionsgemisch. Aufgrund des sauren
Milieus, der Gegenwart korrosiver Stoffe wie Chlor, hoher Temperaturen und Drücke sind die Flächen, die zu Betriebskonditionen mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommen, korrosionsgefährdet. Dadurch können sich insbesondere im langfristigen Betrieb Verschleißerscheinungen insbesondere durch Lochfraßkorrisionen bemerkbar machen. Zur Minimierung von Korrosionen werden in Abhängigkeit vom Durchmesser des Behälters entweder fest installierte Membranteile oder eine fluiddurchlässige Kartusche eingesetzt.
[146] Membranteile bestehen aus durchlöcherten Elementen, vorzugsweise Blechen, die den Transport insbesondere von Gasen und Flüssigkeiten durch das Element ermöglichen. Ebenso besteht die fluid- und gasdurchlässige Kartusche aus durchlöcherten zumeist metallischen Bauteilen, durch die aufgereinigtes Lösungsmittel oder Wasser in den Reaktorraum fließen kann. Ob jeweils ein Membranteil oder eine fluiddurchlässige Kartusche eingesetzt wird, hängt primär vom Durchmesser des jeweiligen Reaktionsgefäßes und den Toleranzen bei der Verarbeitung aber auch von der Form und der Korrosionsbelastung ab. Als mögliche Werkstoffe oder Beschich- tungsstoffe beziehungsweise Trägermaterialien kommen Kunststoffe, Metalle, insbesondere Hartmetalle, keramische Werkstoffe und Polytetrafluorethylen und bevorzugt Edelmetalle und besonders bevorzugt, die für die Membranteile genannten Edelmetalle in Frage. Die Beschichtung geht in der Regel über eine herausnehmbare Kartusche aus Polytetrafluorethylen wie sie zum Beispiel bei Autoklaven im Labormaßstab verwendet werden, hinaus. Zum Aufbringen der Beschichtung werden chemische, mechanische, thermische und thermomechanische Verfahren angewandt. Dabei liegen das aufzubringende Material, das Trägermaterial und/oder der Haftvermittler in gasförmiger, flüssiger, gelöster oder fester Form vor. Bevorzugt kommen galvanische oder Flammspritzverfahren wie zum Beispiel das High-velocity oxy-fuel (HVOF)- Verfahren zum Einsatz. Eine Technik zur Aufbringung der Beschichtung ist die Plattierung.
[147] Alternativ oder zusätzlich zur Plattierung kann der Innenraum eines oder mehrer Behälter der Anlage mit einer Kartusche ausgestattet sein. Insbesondere kann die Innenwand des Reaktors mit Membranteilen ausgekleidet werden. Die Kartusche hat zumeist eine zylindrische Form und kann einem Grid, das heißt einer netzähnlichen Struktur, oder Metallstegen aufliegen.
[148] Alternativ wird entweder auf die äußeren oder inneren Edelstahlschichten des Reaktors oder der Kartusche ein Edelstahlmantel, vergleichbar einem Wärmeaustauschplatten-System, mittels Laserschweißung aufgebracht. Der Edelstahlmantel wird durch Innendruck aufgeweitet, wodurch gleichmäßige Hohlräume entstehen. Durch diese Hohlräume wird können dann verschiedene Medien geleitet werden. Diese Medien können auch als Wärmeträger dienen, zu denen hinreichend aufbereitetes Prozesswasser, Frischwasser oder Wasserdampf oder Thermoöl zählen kann.
[149] Um die Druckbelastung des Edelstahlmantels, der dem Reaktorraum zugewandt ist, zu minimieren, werden Vorrichtungen eingesetzt, durch die eine möglichst geringe Druckdifferenz zwischen dem Hohlraum und dem Reaktorraum zustande kommt. Mögliche Druckdifferenzen im Hohlraum können durch Löcher, die mittels Laser in den Edelstahlmantel gebohrt werden verhindert oder minimiert werden. Der Durchmesser und die Form der Löcher entsprechen denen in den Membranteilen oder in der Kartusche. Die Abstände der Löcher können auch so weit wie möglich auseinander liegen, damit möglichst wenig Medium in den Reaktionsraum gelangt.
[150] Die Bohrungen sowohl im Mantel als auch in der Kartusche befinden sich im Abstand von mindestens 10 bis 20 cm, auch von mindestens 60 cm und auch mindestens 150 cm. Durch den anliegenden Überdruck, der auf dem Mantelkreislauf anliegt, gelangt das Medium durch die Bohrungen in den Reaktorinnenraum oder in den Hohlraum zwischen der Reaktorwand und der Kartusche. Es kann eine Zwangsführung durch die Verbindung einzelner Schweißkreise durch eine Lasernaht erzeugt werden, so dass eine gleichmäßige Verteilung des Temperierungsmediums im Mantel gewährleistet wird. Der Druck, der diesem Temperierungssystem anliegt, übersteigt den des Reaktorinnendrucks um bis zu 6 bar. Der Außenmantel der Kartusche liegt direkt der Innenseite des Druckbehälters auf. Alternativ kann sie einem durchlöcherten Grid oder Stegen aufliegen. Die Kartusche weist regelmäßige Bohrungen mit einem Durchmesser von etwa 20 bis 70 Mikrometer auf.
[151] Bei Verwendung von plattierten Blechen kann zusätzlich zur ein- und/oder beidseitigen Plattierung und/oder nach Auftreten von Verschleißerscheinungen ein Innenmantel aufgebracht werden, der mittels eines Schweißverfahrens und bevorzugt mittels Laserschweißung verbunden wird. Zur gleichzeitigen Verwendung des Innenmantels als Temperierungssystem werden Hohlräume wie oben beim Außenmantel der Kartusche erzeugt. Der Innenmantel hat eine Dicke von 1 bis 1,5 mm, auch 1,5 bis 2 mm oder auch von 2 bis 2,5 mm. Druckverluste sind minimal und werden über Anzahl und Größe der Ein- und Austritts stutzen zusätzlich minimiert.
[152] Die Kartusche oder die Membranteile aus Stahl und vor allem Edelstahl und besonders austenitischen Stählen und besonders bevorzugt aus Stählen zunehmender Chrom- und Molybdängehalte der Gruppen 6, 7 und 8 oder auch Duplexstählen (DIN-Bezeichnungen u.a. 1.4571 (1.4404), 1.4435, 1.4539, 1.4439, 1.4462, 1.4529, 1.4501). Werden beanspruchendem Reaktionsbedingungen gewählt, sind zum Beispiel Kupfer-Nickellegierungen, hoch-molybdänhaltige Nickellegierungen, wie z. B. 2.4610, sowie Titan einzusetzen. Die Wanddicke der Kartusche ist so ausgelegt, dass die Kartusche einem Differenzdruck von 2, bevorzugt 4 und besonders bevorzugt von 6 bar ausgesetzt werden kann.
[153] Besonders im Boden- beziehungsweise Wandbereich kommt es durch Sedimentation und die Wirkung der Schwerkraft zur Ansammlung fester Bestandteile mit der Gefahr von Anbackungen und Verstopfungen. Diese verhindern einen reibungslosen Wärmeaustausch und erschweren den Kontakt der Edukte innerhalb des Reak- tionsgemischs, was die Steuerung der Reaktion erschwert. Daher wurden die an diesen Stellen eingesetzten Membranteile speziell bearbeitet, insbesondere im Boden- beziehungsweise Wandbereich mindestens aber im Konusbereich und bevorzugt im unteren Drittel besonders in den Bereichen, in denen es zu Ablagerungen oder Anbackungen kommen kann. Die Bearbeitung dieser Bleche erfolgt beispielsweise durch das Bohren von Löchern in regelmäßigen Abständen, bevorzugt in Abständen von unter 10 mm, auch von unter 6 mm und auch unter 4 mm.
[154] Die Löcher in den Membranteilen oder in der Kartusche werden mittels Laser in das Element bzw. Bauteil gebohrt und besitzen Durchmesser zwischen 200 bis 10 Mikrometer, auch zwischen 100 und 20 Mikrometer und auch zwischen 50 und 25 Mikrometer. Die Löcher sind vorzugsweise trichterförmig ausgebildet, so dass der Durchmesser der Löcher am Austritt mindestens doppelt so groß ist wie am Eintritt. Dadurch wird eine gefächerte Strömung erzielt, die einen optimierten Wärmeübergang ermöglicht. Die Achse der Löcher verläuft fast parallel zur Reaktorachse und/oder senkrecht zur Oberfläche zu den durchlöcherten Membranteilen. Durch die Löcher wird erhitztes oder gekühltes und hinreichend aufbereitetes Prozesswasser, Frischwasser oder Wasserdampf durch einen Überdruck vom Hohlraum in den Druckbehälterinnenraum geleitet. Die Löcher können dabei als Düsen fungieren. Die vorgenannten Flüssigkeiten dienen gleichzeitig als Temperierungs- und Treibmedium. Prozesswasser oder Frischwasser muss zur Durchleitung durch die Löcher beziehungsweise das Wärmeaustauschsystem hinreichend aufbereitet sein. Es werden die Standards bei der Konditionierung angestrebt, die auch für Speisewasser und/oder Kesselwasser gelten.
[155] Zwischen der Reaktorwand und den Membranteilen wird ein zum Reaktorinnenraum abgedichteter Hohlraum belassen, der zur Durchleitung von Lösungsmittel, Wasser oder Wasserdampf dient. Der Überdruck des aus den Bohrungen austretenden Prozesswassers ist stets so hoch, dass ein Eindringen von Reaktionsgemisch verhindert wird. Die Stärke der Membranteile oder Kartuschenwand ist so ausgelegt, dass die Wandstärke den Anforderungen der Druckdifferenzen zwischen der Innen- und Außenseite gerecht wird. Die Membranteile beziehungsweise die Hohlräume, die sie mit der Druckbehälterwand bilden, können in Zonen, die beispielsweise im Konusoder Bodenbereich eine konzentrische Fläche aufweisen, eingeteilt werden. Diese sind durch unterschiedliche Druckstufen gekennzeichnet. Die unterschiedlichen Druckstufen kommen zum Beispiel durch Ventile oder getrennte Pumpsysteme zustande. Dadurch kann Ablagerungen und Anbackungen durch schwerkraftbedingten Sedimentationen entgegengewirkt werden. Vergleichbare Effekte können bei einheitlichem Druck werden durch angepasste Durchmesser der Löcher erzielt. Beispielsweise können die Durchmesser in den Bereichen mit schweren Sedimentationen größer sein.
[156] Alternativ zur Beschichtung oder Verwendung zusätzlicher Stoffe zur Vorbeugung von Korrosionen kann der Innenraum, insbesondere der Boden beziehungsweise der Konus des Druckbehälters sowie Armaturen und andere mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommenden Teile oberflächenbehandelt sein. Insbesondere wird dies durch eine Verringerung der Oberflächenrauheit erreicht. Alternativ oder zusätzlich werden zur Oberflächenbehandlung nach üblicher Vorbehandlung abtragende Fertigungs- verfahren angewandt, auch elektrochemische Abtragverfahren oder auch in einem speziell auf das Material abgestimmten Elektrolyten Metall anodisch abgetragen.
[157] Während der chemischen Umwandlungsreaktion werden etwa 5 bis 34 Prozent der Energie, die im Ausgangsstoff enthalten ist, als Wärme freigesetzt. Diese Energie wird durch Vorrichtungen zum Wärmetausch für andere Prozesse mit Wärmebedarf innerhalb oder außerhalb des Prozesses oder Anlage genutzt. Innerhalb des Prozesses oder Anlage kann die Wärme beispielsweise zur Vorwärmung der Biomasse oder von Reaktionsräumen genutzt werden. Außerhalb des Prozesses oder Anlage kann die Energie zur Beheizung von Räumen, Maschinen oder als Prozesswärme für andere Prozesse eingesetzt werden. Mit Hilfe des Temperierungssystems soll nicht nur die erforderliche Wärmeenergie zur Initiierung des chemischen Umwandlungsprozesses zugeführt werden können, sondern auch die bei der exothermen Reaktion freiwerdende Wärmeenergie abgeführt werden. Dadurch kann der Entwicklung unkontrollierter Hot- Spots und damit auch einem Durchgehen des Reaktors entgegengewirkt werden. Es wird mindestens ein und bevorzugt mehrere oder eine Kombination verschiedener Temperierungs Systeme eingesetzt, die mechanisch, elektrisch oder chemisch betrieben werden. Zusätzlich oder alternativ zu den unten genannten Prozesswassersystemen besteht das Temperierungs System des Reaktors beispielsweise aus einer Doppelwandkonstruktion, einem Einschraubheizkörper, in den Reaktor eingebrachte Heiz- und Kühlschlangen beziehungsweise -rippen oder an der Außenwand aufgeschweißten Halbrohrschlangen. Alternativ oder ergänzend kommt je nach Konstruktionsweise und gewähltem Material zum Beispiel ein Wärmeaustauschplatten-System in Frage. Als Wärmeenergieträger beziehungsweise Temperierungsmedium für durchflossene und zum Reaktorinnenraum geschlossene Temperierungssysteme werden vorzugsweise Prozesswasser und/oder ein Thermoöl verwendet.
[158] Die Kombination, Positionierung, Auslegung und Steuerung des jeweiligen Temperierungssystems ergibt sich aus der Prozessführung und sind insbesondere von der Zusammensetzung der Ausgangs Stoffe abhängig. Sämtliche Prozesswassersysteme außerhalb und innerhalb des Reaktors können für den Temperierungsprozess eingesetzt werden. Dies kann zum einen durch externe, das heißt außerhalb des Reaktors gelegene Wärmetauschprozesse und zum anderen durch die Einbringung von temperiertem Prozesswasser als Verdünnungs-, Temperierungs-, Ansaugmedium oder Treibmittel für Mischer, Pumpen und/oder Düsen und/oder als angesaugtes Medium für die Flüssigkeitsstrahlpumpen geschehen. Eine Vermischung von Prozess- und Frischwasser kann ebenfalls einer optimierten Reaktortemperierung dienen. Zusätzlich kann dadurch auch die Prozessführung optimiert werden, indem zum Beispiel die Konzentrationen bestimmter anorganischer Stoffe und Störstoffe gesenkt wird. Vorteilhaft kann die Zuführung eines Temperierungsmediums sein, insbesondere durch Eindüsen von temperiertem Wasser oder recyceltem Prozess was ser an temperaturkritischen Punkten. Ergänzend wird die Temperierung über die Prozessführung gesteuert. Neben der Kombination von Ausgangsstoffen, pH-Wert, Probenvorbereiten und Katalysatoren ist die zeitversetzte Einbringung von Ausgangsstoffen in Abhängigkeit von ihren Umsetzungseigenschaften ein wesentliches Element der Temperatursteuerung.
[159] Während des Verfahrensverlaufs ändern sich die Viskosität, Dichte und Größe und andere Eigenschaften der Ausgangs Stoffe beziehungsweise, des Reaktionsgemischs. Diese Veränderungen sind auf chemische Reaktionen und Strukturveränderungen der kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe, die auch auf die Depolymerisation und später auf die Polymerisation der Ausgangsstoffe zurückzuführen sind. Daraus ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an den Mischvorgang in Abhängigkeit vom Prozessverlauf. Eine möglichst gleichmäßige und homogene Vermischung und/oder Strömungsverteilung ist vom Stadium des Prozesses, von den Ausgangsstoffen, Feststoffkonzentrationen und Anforderungen, die an das Reaktionsprodukt gestellt werden, abhängig. Ein Aufwirbeln beziehungsweise Suspendieren erfolgt kontinuierlich oder intermittierend zwecks Wärmeaustauschs, Intensivierung des Eduktkontakts und zwecks besseren Aufschlusses noch vernetzter zum Beispiel lignocellulosehaltiger Schichten, gleichmäßiger Verteilung der Reaktanden und vor allem des Katalysat- orgemischs und Entlüftung des Reaktionsgemischs. Gleichzeitig werden Sedimentationen gelöst, aufgelockert und einer Tromben- sowie Agglomeratbildung wird entgegengewirkt. Insgesamt wird dadurch der Reaktionsverlauf positiv beeinflusst. Das heißt je gründlicher und gleichmäßiger der Mischvorgang, desto schneller der Reaktionsverlauf und desto homogener das Reaktionsprodukt. Es kann beziehungsweise können mindestens ein oder mehrere und insbesondere eine Kombination verschiedener Mischsysteme mit und/ohne bewegliche Teile im Reaktionsraum eingesetzt werden. Als Mischer mit bewegten Teilen im Reaktionsraum können ein oder mehrere oder eine Kombination verschiedener Rührer eingesetzt werden. Der Rührer ist mit mindesten einer und vorzugsweise mit zwei oder mehr Wellen ausgestattet, so dass weitere Rührer über den gleichen Motor und Reaktorzugang angetrieben werden. Ein Vorteil solcher Rührsysteme ist der relativ geringe Energiebedarf im Verhältnis zum Energieeintrag beziehungsweise zur Mischzeit. Der entscheidende Nachteil neben den hohen Kosten liegt in der Störanfälligkeit und dem höheren Wartungsbedarf gegenüber Mischsystemen ohne bewegte Teile im Reaktionsraum. Unter Flüssigkeitsstrahlsystemen werden Flüssigkeitsstrahlmischer, -pumpen und Düsen verstanden. Sie besitzen in der Regel keine bewegten Teile und sind daher wartungsärmer. Flüssigkeitsstrahlsysteme können als Mischsysteme dienen, denn sie sind dazu geeignet, kinetische Energie über ein Treibmittel, das auch als Wärme- beziehungsweise Kühlmittel dienen kann, in den Reaktor einzubringen, um den Reaktorinhalt zu suspendieren und zu homogenisieren. Weitere Vorteile von Flüssigkeitsstrahlsystemen zählen sind ihre geringe Baugröße, minimale Störung der Strömungs- und Flußverhältnisse und Vermeidung von Dichtungssystemen. Strombrecher, wie sie für herkömmliche Rührsysteme nicht selten eingesetzt werden müssen, sind überflüssig, Daher gibt es bei der Verwendung solcher Systeme auch keine strombrecherbedingten Strömungstotzonen. Gleichzeitig wird ein Floating (Aufschwimmen von Feststoffen) vermindert, wodurch sich die Gefahr des Lufteinsogs minimiert. Die Flüssigkeitsstrahlsysteme können von einem gemeinsamen oder mehreren Prozesswasserreservoirs gespeist werden. Sie können unabhängig voneinander angesteuert werden und von unterschiedlichen Mengen Treib- und/oder Temperierungsmittel durchflössen werden. Treib- und/oder Temperierungsmittel wird bevorzugt fast kontinuierlich und/oder in Intervallen zum Suspendieren und Homogenisieren zugeführt. Die Positionierung der Flüssigkeitsstrahlsysteme und insbesondere von Flüssigkeitsstrahlmischern wird so gewählt, dass es zur Ausbildung eines Flüssigkeitsstroms zum Beispiel in Form einer vertikalen Schlaufenströmung kommt. Bei Reaktoren ab einem Durchmesser- Höhen- Verhältnis von 1:2 kann auch eine Schlaufenströmung zum Beispiel in Form einer Acht ausgebildet werden oder bei entsprechenden Höhen weiterer Schlaufen, die quer zur Senkrechte verlaufen. Flüssigkeitsstrahlmischer werden insbesondere in der oberen Hälfte positioniert, insbesondere im oberen Drittel, wobei der Treibstrahl nach unten fast parallel zur Reaktorachse gerichtet ist. Bei größeren beziehungsweise höheren Reaktoren insbesondere ab einem Durchmesser- Höhen- Verhältnis von 1:3 werden mehrere Flüssigkeitsstrahlmischer in Reihe geschaltet, das heißt auf verschiedenen Höhen hintereinander geschaltet, so dass ein jeweils nachgeschalteter Mischer den Treibstrom beschleunigt. Bei größeren Durchmessern, insbesondere über einem Meter werden mehrere Flüssigkeitsstrahlmischer auf einer Längsachse so positioniert, dass der Treibstrahl wirksam in eine Richtung verstärkt wird. Werden mehr als zwei Flüssigkeitsstrahlmischer beziehungsweise -pumpen auf einer Höhe eingesetzt, ist die Zahl der Flüssigkeitsstrahlmischer, deren Treibstrahl nach unten zur Reaktorboden gerichtet ist, jeweils gleich. Ein oder mehrere Flüssigkeitsstrahlmischer werden knapp oberhalb des Bodenbereichs beziehungsweise Konus positioniert, so dass die Strömung tangential über die Wand des Bodens beziehungsweise des Konus gelenkt wird. Ein oder mehrere Flüssigkeitsstrahlmischer werden unmittelbar neben dem Ausflussstutzen im Zentrum des Bodenbereichs beziehungsweise Konus positioniert, so dass die Strömung tangential über die Wand des Bodens beziehungsweise Konus nach oben gelenkt wird. Durch die Turbulenzwirbel und Scherbelastung der Flüssigkeitsstrahlsysteme desag- glomerieren die Feststoffe. Durch den zusätzlichen Einsatz von Zerkleinerungsvorrichtungen in Bereichen maximaler Turbulenz und Scherbelastung, insbesondere der Saugschlitze beziehungsweise Ansaug- und Austrittsöffnungen, wird der Bildung von Klumpen und Agglomeraten gezielt entgegengewirkt. An Positionen, an denen die Saugschlitze beziehungsweise Ansaugöffnungen zu Verstopfungen neigen, können diese mit einer eigenen Prozess wasserzufuhr versorgt werden, wobei das Prozesswasser zu diesem Zweck nur grob gereinigt wird. Zur Grobreinigung werden zum Beispiel Siebe, Filter und Membrane eingesetzt. Die Grobreinigung verläuft schneller und praktisch unmittelbar ohne beziehungsweise mit wesentlich geringeren Reservevolumina im Gegensatz zur Prozesswasserreinigung zwecks Aufbereitung von Treib- und Temperierungsmittel. Alternativ werden verstopfungs- und ablagerungsgefährdete Saugschlitze beziehungsweise Ansaugöffnungen der Mischer mit Vollstrahldüsen mit eigenem Treibstromkreislauf freigehalten und/oder mit einem Mechanismus zur kurzzeitigen Flußumkehr ausgestattet. Zur Steuerung dieser Düsen dienen Durchflußmesser, Manometer und Ventile, die auf Verstopfungen zum Beispiel durch Druckveränderungen im Ansaugbereich reagieren. Auch eine gemischte Reaktionsgemischzufuhr für die verstopfungs- und ablagerungsgefährdete Saugschlitze beziehungsweise Ansaugöffnungen der Mischer kann realisiert werden durch eine geteilte Treibstromzufuhr: ein Anteil wird direkt aus dem Reaktor angesaugt, ein anderer Anteil wird grob gefiltert aus dem oberen Reaktorteil angesaugt. Die Treibstromzufuhr wird über Ventile geregelt und geschaltet, so dass zum Beispiel bei Betriebsproblemen oder bei zu geringem Flüssigkeitsstand, Treibmittel eingespart wird.
[162] Düsen können an gezielten Stellen im Behälterinnenraum eingesetzt werden. Dazu zählen insbesondere Totraumbereiche oder Zonen, in denen Ablagerungen und Anbackungen unterbunden werden sollen. In sämtlichen Flüssigkeitsstrahlsystemen herrscht ein kontinuierlicher Differenzdruck gegenüber dem Reaktorinnendruck, um einen Rückfluss des Reaktionsgemischs in die Mischer, Pumpen und Düsen zu verhindern. Eine Verlangsamung oder ein Stillstand der Strömung beschleunigt den Absetzungs- und Sedimentationsprozess der festen Reaktionsprodukte, die sich dadurch zunehmend im unteren Reaktorteil ansammeln.
[163] Während der chemischen Umwandlungsprozesse kann es zu Ablagerungen und Anbackungen an den Wänden des Reaktors sowie den Armaturen und Teilen, die mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommen. Ohne die Betriebstemperatur wesentlich zu senken, kann nach dem Überführen des Reaktorinhalts in einen anderen Druckbehälter oder Reaktor ein Reinigungsvorgang durchgeführt werden. Als Reinigungsvorrichtung kann beispielsweise eine bewegliche und steuerbare Hochdruckdüse eingesetzt werden. Durch eine kompakte Bauweise kann die Vorrichtung durch ein Handloch, eine Schleuse oder ein Ventil in den Innenraum eingebracht werden. Der Reinigungsvorgang wird unter direkter Sichtkontrolle oder mittels einer oder mehrerer Kameras durchgeführt. Die Reinigungsvorrichtung lässt sich von außen fernsteuern. Druck und Temperatur des Treibmediums werden so eingestellt, dass das bestmögliche Reinigungsergebnis erzielt wird, ohne die auskleidenden Materialien oder Beschichtungen zu beschädigen. Insbesondere sind Trockeneis-Strahler zur Oberflächenreinigung der Strahlmedien geeignet: Trockeneispellets als Strahlmittel werden mit Druckluft auf 300 m/s beschleunigt und treffen mit hoher kinetischer Energie auf die Schmutzschicht auf. Dabei kühlen sie diese auf minus 8O0C ab; die Schmutzschicht schrumpft und wird spröde. Gleichzeitig verdampfen die Trockeneispellets und dehnen sich schlagartig auf das bis zu 700-fache aus, was die die Schmutzschicht von der Oberfläche absprengt. Durch den Einsatz eines Trockeneis- Strahlers zur Reinigung entfällt die aufwendige Aufarbeitung oder Entsorgung eines Reinigungsmediums. Umweltbelastende organische Lösungsmittel und halogenierte Kohlenwasserstoffe werden überflüssig. Dadurch, dass sich die Trockeneispellets förmlich in Luft auflösen, entsteht noch ein weiterer entscheidender Vorteil: Eine Zerlegung und externe Reinigung von Anlagekomponenten wird sehr häufig überflüssig. Ein Trockeneis-Strahler wird bevorzugt als Tauchschnorchelsystem eingesetzt. Es wird durch ein Handloch an zentraler Position in den Reaktor eingeführt und an Haltesystem, das vorher positioniert wurde, angedockt. Mit Hilfe einer rotierenden Sprüheinrichtung werden die Trockeneispellets auf die zu reinigenden Stellen gerichtet.
[164] Als Treibmittel für die Flüssigkeitsstrahlmischer, -pumpen und Düsen kann ein flüssiges oder gasförmiges Medium wie zum Beispiel Wasser, aufbereitetes Prozesswasser oder ein Gas wie zum Beispiel Wasserdampf dienen. Das Prozesswasser wird beim beziehungsweise unmittelbar nach dem Austritt aus dem Reaktor gesiebt, gefiltert und von Störstoffen befreit, so dass die Mischer, Pumpen und Düsen nicht verstopfen und der Verschleiß an Reaktor-, Rohr-, Pumpenbestandteilen und anderen Armaturen minimiert wird. Mit Hilfe eines Wärmetauschers wird die Temperatur des Treibmittels so eingestellt, dass dessen Einbringung zur Steuerung der Prozesstemperatur dient. Das Treib-/Temperierungsmittel wird außerhalb des beziehungsweise der Reaktoren bei ähnlichen Drücken geführt wie innerhalb des beziehungsweise der Reaktoren. Wird auf die Temperierungsfunktion des Prozesswassers verzichtet, wird es außerhalb der Reaktionsräume bei ähnlichen Temperaturen geführt wie innerhalb derselben. Alternativ zu Prozesswasser kann Frischwasser, Wasserdampf oder Wasser aus anderen Prozessen als Treib-, Wärme- beziehungsweise Kühlmittel eingesetzt werden.
[165] Die im Prozesswasser enthaltenen Stoffe sind abhängig von der Mischung der Ausgangsstoffe und der Prozessführung einschließlich der Katalysatoren. Durch die verfahrensbedingte Desintegration gehen vorher in der Biomasse gebundene Stoffe in Lösung. Zahlreiche Elemente einschließlich Chlor, Schwefel, Nitrat und Ihre Salze sowie Metalle insbesondere Schwermetalle und Mineralien sowie Alkalien wie zum Beispiel Kalium oder Natrium und ihre Salze gehen zu einem bestimmten Anteil während des chemischen Umsetzungsprozesses in die wässrige Phase über. Ein Anteil wird wieder in der Festphase gebunden. Der restliche Anteil verbleibt in der flüssigen Phase. Die Anteile der Stoffe, die in der flüssigen Phase übergehen, sind auch abhängig vom Konzentrationsgefälle, das heißt der bereits in der flüssigen Phase vorhandenen Konzentration. Bei steigenden Konzentrationen tritt eine Sättigung bis hin zum Ausfallen bestimmter Stoffe ein. So können anorganische Stoffe und Verbindungen zum Beispiel Sulfate und Chloride als Salze ausfallen und dadurch die Prozessführung und Reaktorbestandteile nachteilig beeinflussen. Der Anteil organischer Kohlenstoffverbindungen in der flüssigen Phase kann über 50g pro Liter liegen. Der CSB-Wert des Prozesswassers liegt bereits ohne Wiederverwertung im höheren fünfstelligen Bereich (mg O2/l) und überschreitet damit die gesetzlichen Einleitungsgrenzwerte deutlich. Unter dem chemischen Sauerstoffbedarf CSB versteht man im umfassenden Sinne die Menge an Sauerstoff, die erforderlich ist, alle organischen Inhaltsstoffe einer definierten Stoffmenge chemisch zu oxidieren.
[166] In Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt der Ausgangsstoffe und der Prozessführung einschließlich der Fest-Flüssig- Verhältnisse wird ein Prozesswasseranteil von 10 bis 35 Prozent, auch von 35 bis 60 Prozent oder auch von 60 bis 85 Prozent wiederverwertet. Eine nahezu vollständige Rückführung des Prozesswassers, das heißt eine Kreislaufschließung oder -einengung des Prozesswasserkreislaufs, mit dem Ziel, Frischwasser einzusparen und das Abwasservolumen zu senken, ist nur begrenzt möglich. Denn es kommt neben einer Akkumulation organischer Kohlenstoffverbindungen zu einer Anreicherung anorganischer Stoffe wie Sulfat, Nitrat, Calcium Chlor, Phosphor oder ihrer Verbindungen. Anorganische Störstoffkonzentrationen beschleunigen die Korrosion. Kalkablagerungen stören den Strömungsfluss im Reaktor und schädigen ebenfalls Armaturen wie Pumpen, Ventile und Düsen. Damit steigen die Anforderungen an die Auslegung des Reaktors. Sulfate können ausfallen. Die Geschwindigkeit der Akkumulation beziehungsweise Aufsättigung ist abhängig von der stofflichen Zusammensetzung der Ausgangs Stoffe und der Prozessführung .
[167] Der chemische Umwandlungsprozess dauert in der Regel mehrere Stunden. In dieser Zeit gehen komplexe chemische Vorgänge verbunden mit stofflichen Veränderungen einher, die zur Optimierung der Prozessführung zu berücksichtigen sind. Unterschiedliche Arten von Biomasse werden in den ersten zwei bis drei Prozessphasen in Intervallen zugeführt. Je nach gewünschtem Reaktionsprodukt werden zum Beispiel gegen Ende der letzten beiden Prozessphasen Reaktionsprodukte abgezogen. Treiboder Temperierungsmittel wie zum Beispiel ein Gas, Wasser, insbesondere Prozesswasser und/oder Prozess-/Synthesegas sowie Katalysatoren werden während des laufenden Prozesses abgezogen oder zugeführt. Reaktanden und insbesondere Nebenprodukte werden entfernt, die sowohl den Ablauf der chemischen Reaktion, die Durchmischung als auch die Strömung stören.
[168] Zur Abscheidung der festen Stoffe und insbesondere der Reaktionsprodukte im
Reaktionsgemisch können verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen. Die Fest- Flüssig-Trennung dient zur Abtrennung der flüssigen Phase, wodurch eine Aufkonzentration der Feststoffanteile erreicht wird. Zur Abtrennung der Feststoffe können verschiedene Siebungsvorgänge (Grobsiebung, Feinsiebung), Filtrationsprozesse und/oder die Fliehkraftabscheidung mittels Zyklon miteinander verknüpft werden. Um den Aufwand einer Filtration oder Siebung während des Prozesses zu verringern, werden im Rahmen der Vorbehandlung bereits eine oder mehrere FiI- trations- oder Siebungsvorgänge durchgeführt.
[169] Es kann mindestens eine Grob- oder eine Feinfiltration oder eine Kombination aus diesen beiden Verfahren erfolgen. Durch Filtrationsverfahren, insbesondere Mikro- und/oder Ultrafiltrationsverfahren oder eine Kombination der beiden, kann ein Drittel bis zwei Drittel der gesamten organischen Kohlenstoffverbindungen aus dem Prozesswasser entfernt werden. Die Fest-Flüssig-Trennung wird vorzugsweise bei Betriebsbedingungen betrieben und geht in der Regel über die Nutzung einfacher Papierfilter wie sie beispielsweise im Labormaßstab verwendet werden hinaus. Die Auswahl der verwendeten Methoden ist unter anderem abhängig von der chemischen Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Dichte, Partikelform, Festigkeit sowie Löslichkeit und schließt die Ausnutzung elektrischer Ströme und Ladungen, unterschiedliche Dichten und Fliehkräfte sowie verschiedene Partikelgrößen ein. Zu den eingesetzten Vorrichtungen zur Fest-Flüssig-Trennung zählen die dynamische, statische, Vakuum-, Druck und Sterilfiltration, darunter insbesondere die Cross-Flow-Filtration einschließlich verfügbarer Mikro-, Ultra-, Nanofiltration- und Umkehrosmose-verfahren. Es werden bevorzugt Vorrichtungen verwendet, bei denen das zugrunde liegende Verfahrens- oder Funktionsprinzip von Hydrozyklonen, Zentrifugen, kraftfeldunterstützten Trenngeräten und/oder Filtrationsverfahren angewandt wird. Zu den bevorzugten Filtrationsverfahren zählen insbesondere diejenigen, die sich auch bei den Reaktionsbedingungen der hydrothermalen Karbonisierung einsetzen lassen. Bevorzugt werden für die Fest-Flüssig-Trennungen insbesondere bei Betriebsbedingungen Rotationsscheibenfilter oder Zentrifugalmembranfilter eingesetzt. Das bevorzugte Material, das für die Ausbildung der Poren verantwortlich ist, besteht aus Metall und besonders aus Keramik.Die Form des porenbildenden Materials ist bevorzugt scheibenförmig. Je nach angewendetem Filtrationsverfahren und dabei eingesetzten Materialien liegt nicht immer ein proportionales Verhältnis von Porengröße des Filters und der Feststoffmenge im Filtrat vor. Dies trifft insbesondere auf den Einsatz keramischer Werkstoffe für die Filterelemente zu. Die wässrige Phase wird einem Prozesswasserreservoir oder gefiltert oder ungefiltert der Prozesswasseraufbereitung zugeführt. Die Eigenschaften der abzutrennenden Feststoffe und damit die Wahl der zur Abtrennung gewählten Verfahren hängen von der Prozessführung und von den Eigenschaften des gewünschten Reaktionsprodukts ab. Je weiter fortgeschritten der Prozess und je höher die Dichte des Reaktionsprodukts ist, desto einfacher lässt es sich abtrennen. Bevorzugt erfolgt die Abtrennung nah an den Betriebsbedingungen. Die Feststoffmenge im Filtrat sinkt in der Regel proportional zur Porengröße und kann durch den Einsatz eines Ultrafiltrationsverfahrens deutlich ansteigen und über zwei Drittel bis vier Fünftel betragen. In den Prozess sind ein oder mehrere Vorrichtungen zur Fest-Flüssig-Trennung integriert zur Elimination von Sand und anderen Störstoffen mit hoher Dichte oder hohem Gewicht, die im Laufe der Behandlung der Biomasse abtrennbar werden. Insbesondere zur Aufreinigung des Prozesswassers, das als Treibstrahlmittel verwendet wird, ist die Anwendung des Prinzips der Fliehkraftabscheidung von Feststoffen vorteilhaft, um Pumpen, Mischer und Düsen zu schonen. [171] Während des Prozesses wird an ein oder mehreren Stellen aus der oberen Hälfte, bevorzugt aus dem oberen Drittel, besonders bevorzugt aus dem oberen Viertel, des Reaktors Prozesswasser zur Aufbereitung abgezogen. Aufbereitetes Prozesswasser wird in den Wasserkreislauf der Anlage zur Wiederverwertung zurückgeführt. Mindestens ein und bevorzugt mehrere Prozesswasserreservoirs können für jeden einzelnen Reaktor oder für mehrere zusammengeschaltete Reaktoren und für andere Vorrichtungen der Anlage genutzt werden. Den einzelnen Prozesswasserreservoirs sind verschiedene Reinigungs schritte vorgeschaltet. Das Volumen einzelner oder eines gemeinsamen Prozesswasserreservoirs beträgt in ihrer Summe etwa 35 bis 85 Prozent des Gesamtvolumens aller Reaktoren. Das Prozesswasserreservoir ist für die Temperatur- und Druckbelastung der Reaktoren ausgelegt, so dass Druckminderungsund Wärmeaustauschvorrichtungen nicht zwingend erforderlich sind. Eine Prozesswasserreinigung ist in den Wasserkreislauf der beschriebenen Anlage integriert. In Abhängigkeit von der Verwendung des aufbereiteten Prozesswassers sind unterschiedliche Reinigungs- beziehungsweise Aufbereitungsverfahren notwendig. Dazu kommen verschiedene mechanische, chemische und biologische Verfahren und Vorrichtungen einzeln oder in Kombination zum Einsatz: Aerobe und anaerobe Hochleistungsbioreaktoren, Biomembranreaktoren, Anaerob- und Belebtschlammverfahren. In den Prozesswasserkreislauf integrierte oder angeschlossene oben genannte Verfahren und Vorrichtungen sollen den Gehalt an organischen Verbindungen im Kreislaufwasser zwar erheblich senken; das Maß der Rückführung des Prozesswassers muss jedoch von den Konzentrationen von nicht ausreichend abgebaute organische Substanzen und hohen Alkalimetall- beziehungsweise Mineralstoffkonzentrationen wie zum Beispiel Calcium abhängig gemacht werden. Um einen möglichst hohen Anteil des Prozes s wassers zurückführen zu können, soll eine besonders leistungsfähige Kombination unterschiedlicher Verfahren und Vorrichtungen zum Einsatz kommen.
[172] Die Vorrichtung zur mechanischen Abwasserreinigung ist ein Filter, bevorzugt ein Mikrofilter und besonders bevorzugt ein Ultrafiter, und kann mit den oben beschriebenen Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung deckungsgleich sein. Die Vorrichtung zur Fest-Flüssig-Trennung, in dem der oder die Filter eingebaut sind, ist bevorzugt ein Rotations scheibenfilter und besonders bevorzugt ein Zentrifugalmembranfilter. Zur biologischen Reinigung des Prozess- beziehungsweise Abwassers kommt eine Vorrichtung zum Einsatz, die den komplexen Anforderungen zur Reinigung am ehesten gerecht wird. Zum Beispiel soll bevorzugt eine Vorrichtung in Stahlbauweise verwendet werden, zum Beispiel ein Hochleistungsbioreaktor im Biomembranverfahren, bevorzugt eine aerobe Prozesswasserbehandlung, besonders bevorzugt ein Schlaufenreaktor. Der Schlaufenreaktor soll in seiner Auslegung über eine leistungsfähige Düse zur Vermischung der festen und flüssigen Phase verfügen. Al- ternativ oder zusätzlich zum aeroben Verfahren kann ein Reaktor zur anaeroben Prozesswasserbehandlung oder auch reverse Elektrodialyse ( Electrodialysis Reversal) insbesondere zur Nitratrückgewinnung, Destillations- Verdampfungs- und/oder Ionenaustauscherverfahren sowie Aktivkohle eingesetzt werden.
[173] Die Geruchsbelastung stellt sowohl Anforderungen an die Lagerung und den Transport des Feststoffs als auch an die Auslegung der Anlage, Gebäude und Förderanlage. Die Intensität der Geruchsbelastung nimmt mit der Dauer der Lagerzeit ab. Das Gebäude beziehungsweise die Lager- und Transporträume, insbesondere für die Brennstoffe, sollen luft- beziehungsweise geruchsdicht ausgelegt sein, so dass die belastete Luft nicht entweichen kann. Zugänge zum Gebäude werden über Schleusen abgedichtet. Es wird/werden eine oder mehrere chemische und/oder biologische Luftreinigungsanlagen installiert, so dass die Geruchsbelastung für Mitarbeiter, Lieferanten und Anwohner auf ein Minimum reduziert wird.
[174] Die Abkühlung des Reaktionsprodukts insbesondere unterhalb der Siedetemperatur bei einem bar Absolutdruck erfolgt in der Regel außerhalb des Reaktionsraums, auch in einer Vorrichtung zur Entspannung. Die dabei freigesetzte Wärmeenergie kann über Wärmetauscherprozesse für andere Prozesse verfügbar gemacht werden.
[175] Vor, während oder nach diesem Prozess finden ein oder mehrere Zerkleinerungsschritte statt. Dazu werden bevorzugt Mühlen oder Press verfahren eingesetzt.
[176] Die Abtrennung der festen Phase aus dem Reaktionsgemisch erfolgt im ersten Schritt in der Regel in mechanischen und im zweiten Schritt in thermischen Trennvorrichtungen.
[177] Ein statischer Eindicker wird zur Verminderung des Wassergehalts unter Einwirkung der Schwerkraft mit oder ohne mechanische, sich drehende Vorrichtung beziehungsweise Krählwerk, zum Beispiel ein Standeindicker oder Durchlaufeindicker verwendet. Die Regelung der Zulaufmenge kann von einem Dosierapparat übernommen werden. Bei entspre chend großen Volumina ermöglicht der Apparat das eingedickte Gemisch, dosiert und auf mehrere Maschinen, gleichmäßig abzugeben. Der Eindicker kann auch direkt in die Trocknungsvorrichtung integriert werden. Eine vorteilhafte Auslegung der Konus-Konstruktion ermöglicht, dass die Trocknungsvorrichtung direkt mit dem Gemisch beschickt wird. Bei entsprechender Anpassung der Prozessgrößen kann somit auf externe Installationen verzichtet werden. Alternativ kann das einzudickende Gemisch wird unter Druck auf eine gewölbte Siebfläche beziehungsweise auf ein Bogensieb aufgegeben werden. Die entstehende Zentrifugalkraft drückt einen Teil der Flüssigkeit durch die Siebschlitze. Das eingedickte Gemisch wird am Ende der Siebbahn zusammengefasst und der Trocknungsvorrichtung zugeführt. Ein weiteres vorteilhaftes mechanisches Trennverfahren bietet ein Hydrozyklon, in dem Feststoff und Flüssigkeit durch Zentrifugalbeschleunigung getrennt werden. Das eingedickte Gemisch im Unterlauf wird der Trocknungs vorrichtung zugeführt und die prozessierte beziehungsweise geklärte Flüssigkeit verlässt im Überlauf den Hy- drozyklon. Durch vorgeschaltete und abgestimmte Eindickapparate und zwischengeschaltete Dosiervorrichtungen kann ein kontinuierlicher und optimierter Zulauf zur Trocknungsvorrichtung gewährleistet werden. Dies ist insbesondere bei Verwendung einer Schubzentrifuge zur Trocknung von Bedeutung. Schubzentrifugen verfügen über eine hohe eine Betriebssicherheit und sind zum Entfeuchten und Waschen körniger Feststoffe geeignet.
[178] Neben mechanischen Vorrichtungen, die der Trocknung zumeist aus energetischen Gründen vorzuschalten sind, werden thermische Trennverfahren zur Trocknung bevorzugt eingesetzt. Die der Trocknung zugeführten Mengen liegen über einem Kilogramm Gewicht. Einem Chargenbetrieb ist ein kontinuierlicher Betrieb vorzuziehen. Die Trocknung erfolgt durch mindestens einen oder mehrere Trockner oder durch eine Kombination verschiedener Vorrichtungen zur Trennung und/oder Trocknung. Zur Trocknung der Reaktions- und/oder Nebenprodukte wird zum Beispiel ein Konvektionstrockner verwendet. Dabei kommt d as Trockengut mit heißem Trocknungsgas in Kontakt. Nachteilig ist dabei, dass das verwendete Gas abzuführen ist und in der Regel mit Staubabscheidern gereinigt werden muss. Gegebenenfalls wird das Gas nach Kondensieren der Feuchtigkeit zurückgeführt. Als Konvektionstrockner kann beispielsweise ein Wirbelschichttrockner eingesetzt werden. Ebenso können Sprüh-, Düsenturm- oder Stromtrockner in Abhängigkeit von der vorliegenden beziehungsweise erwünschten Partikelgröße verwendet werden. Vorteilhaft ist ein kontinuierlicher Prozess, bei dem ein oder mehrere Horden-, Trommel- oder Tunneltrockner eingesetzt werden.
[179] Bei der Verwendung eines Kontakttrockners steht im Wesentlichen nur die Kontaktfläche für den Wärmeübergang zur Verfügung. Es wird ein Band-, Vakuumband-, Trommel-, Schnecken-, Zylinder-, Walzen- oder Bandtrockner und bevorzugt ein Vakuumtrommelfilter oder -trockner eingesetzt. Zur Erzielung geringerer Feuchtigkeitsgehalte kann je nach Durchsatzrate alternativ oder zusätzlich zum Beispiel auch ein Tellertrockner verwendet werden. Die Trocknung kann mittels eines heißen gasförmigen Mediums wie zum Beispiel Luft bei Temperaturen zwischen 61 und 95 Grad Celsius, bevorzugt zwischen 65 und 90 Grad Celsius und weiter bevorzugt zwischen 70 und 85 Grad Celsius, erfolgen. Alternativ wird vor allem in den thermischen Trocknungsvorrichtungen als Gas neben Luft bevorzugt überhitzter Wasserdampf und besonders bevorzugt Wasserdampf mit einer Temperatur von 130 bis 180 Grad Celsius eingesetzt.
[180] Es kann ein kombiniertes mechanisch-thermisches Verfahren zur Trennung beziehungsweise Trocknung angewendet werden. Der Vorteil eines mechanisch- thermischen Prozesses im Vergleich zu den konventionellen Verfahren liegt in einer deutlich geringeren Restfeuchte des Produkts, wodurch gerade bei feinen Partikel- oder Nanosy stemen eine verbesserte Förderfähigkeit des Produkts erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass gleichzeitig eine teilweise Auswaschung von Verunreinigungen aus dem Reaktionsprodukt durch den kondensierenden Dampf erfolgt. Der Einsatz von Dampf als weiteres treibendes Entfeuchtungspotential bringt eine Steigerung der Leistung für filtrierend arbeitende Zentrifugen mit sich. Der Mechanismus der ebenen mechanischen Verdrängung durch eine Kondensationsfront wirkt zusammen mit der Massenkraft und führt auch bei kleinsten Reaktionsprodukten bis hin zum Nanobereich praktisch zu einer vollständigen Entleerung des Grobkapillarsystems. Zu den Verfahren, die diesen Mechanismus ausnutzen zählt beispielsweise die Dampf-Druckfiltration. Sie wendet anstelle von Druckluft gesättigten oder überhitzten Dampf für eine Gasdifferenzdruckentfeuchtung an. Besonders bevorzugt wird eine Dampf-Drucküberlagerte Zentrifugalentfeuchtung angewendet. Der Prozess der kombinierten Dampfdruck- und Zentrifugalentfeuchtung überführt den feindispersen Feststoff des Reaktionsprodukts von der Suspension direkt in einem Verfahrensraum in ein trockenes, reines, rieselfähiges anmeldungsgemäßes Endprodukt.
[181] Der Restfeuchtigkeitsgehalt der anmeldungsgemäßen Reaktionsprodukte liegt in vorteilhafter Weise bei ungefähr 6 bis 25 Prozent, auch 10 bis 20 Prozent oder auch 12 bis 15 Prozent.
[182] Nach der Umwandlungsreaktion liegt das Reaktionsgemisch als Suspension vor. In Abhängigkeit von den Ausgangsstoffen und der Prozessführung entstehen aus Biomasse unter anderem folgende Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte :
[183] Brennstoffe von Torf, über Braunkohle bis zu Steinkohle-ähnlichen Brennstoffe, Humus, Maillard- oder Maillard- ähnlichen Reaktionsprodukte, kohlenstoffhaltige Werkstoffe wie Dämmstoffe, Nanoschwämme, -kügelchen, -fasern, -kabel, Aktiv- oder Sorptionskohle, Grillkohleersatzstoff, hochverdichtete Kohlenstoffprodukte und Werkstoffe und insbesondere auch Ausgangsstoffe für Graphit und graphithaltige oder -artige Produkte sowie Kohlenstofffasern und Ausgangsstoffe für Verbund- oder Faserverbundwerkstoffe.
[184] Auch Rein-, Reinst- und Ultrareinkohle-ähnliche Stoffe gehören zu den anmeldungsgemäßen Produkten. Sie verfügen über vorteilhafte Eigenschaften, die vor allem auf der Verminderung mineralischer Stoffe gegenüber den Ausgangs Stoffen zurückzuführen ist. Unter Reinkohle wird vor allem der brennbare Anteil der Kohle und unter Reinstkohle wird auch Aktivkohle verstanden. Bei Ultrareinkohle liegt beispielsweise der Minderalgehalt unter 0,1 Gewichtsprozent verfügen.
[185] Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 mit einem Reaktor 2. Der Reaktor 2 besteht aus einem zylindrischen Grundkörper 3, der einen Reaktionsraum 4 einschließt. Der Reaktionsraum 4 dient der Aufnahme eines Fest-/Flüssiggemisches, beispielsweise Biomasse. Der Reaktor 2 weist einen Einfüllstutzen 5 für das Fest-/Flüssiggemisch und eine Auslassstutzen 6 auf, durch den Zwischen-, Neben- oder Endprodukte aus dem Reaktionsraum 4 entnommen werden können. Der Reaktor weist ferner eine Einrichtung zur Durchmischung des Fest-/Flüssiggemisches auf. Die Einrichtung ist in der hier dargestellten Ausführungsform eine Rührvorrichtung 7, mit der das Fest- /Flüssiggemisch während der Behandlung und/oder Bearbeitung gemischt werden kann. Der Reaktor 2 weist ferner ein zylinderförmiges Führungs- bzw. Einsteckrohr 8 auf, das die Strömung des Fest-/Flüssiggemisches im Reaktionsraum 4 lenkt bzw. kontrolliert. Zusätzlich weist der Reaktor 2 eine nicht-mechanische Mischvorrichtung in Form eines Flüssigkeitsstrahlmischers 9 auf. Ferner ist der Reaktor 2 mit einer Filtervorrichtung 10 ausgestattet, mittels derer feste Bestandteile im Reaktionsraum 4 zurückgehalten werden. Über die Filtervorrichtung 10 und die Leitung 11 kann Prozess- bzw. Brauchwasser aus dem Reaktionsraum 4 abgezogen und einem Reservoir 12 zugeführt werden. Das Brauchwasser kann entweder über die Leitung 13 dem Flüssigkeitsstrahlmischer 9 und damit wieder dem Fest-/Flüssiggemisch im Reaktionsraum 4 zugeführt oder über einen Feinfilter 14 als Reinwasser in ein weiteres Reservoir 15 geleitet werden. Aus dem weiteren Reservoir 15 kann das Reinwasser über die Leitung 16 entweder in den Reaktor 2 zurückgeführt oder über die Leitung 17 dem Abwasser zugeführt werden. Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Wandbereich des Reaktors 2 gemäß Figur 1. Die Reaktorwand 20 ist doppelwandig ausgebildet, wobei die Reaktorwand 20 aus einer äußeren Wandschicht 21 und einer inneren Wandschicht 22 besteht. Die innere Wandschicht 22 ist am Rand des Reaktionsraums 4 mit einem Membranteil 23 versehen, bei dem es sich beispielsweise um ein gelochtes Blech bzw. ein Membranblech, aber auch um eine Wärmeaustauschplatte handeln kann. Das Membranteil 23 kann entweder in den Reaktor eingehängt oder an der innerern Wandschicht 22 befestigt, beispielsweise angeschweißt, sein. Die äußere Wandschicht 21 und die innere Wandschicht 22 sind voneinander beabstandet, so dass zwischen diesen beiden Wandschichten ein Hohlraum 24 liegt. In dem Hohlraum 24 kann sich beispielsweise ein Thermoöl befinden, wie es beispielsweise zur Übertragung von Wärmeenergie in Wärmeübertragungsanlagen verwendet wird. Das Thermoöl wird erhitzt und in den Hohlraum 24 geleitet, um den Innenraum des Reaktors aufzuheizen. Dies geschieht in einem geschlossenen Kreislauf. Der Vorteil von Thermoöl gegenüber Wasser liegt dabei in seinem wesentlich höheren Siedepunkt, so dass eine Temperatur von bis zu 300 0C erreicht werden kann. Ein weiterer Hohlraum 25 befindet sich zwischen dem Membranteil 23 und der inneren Wandschicht 22. Dieser weitere Hohlraum 25 dient der Aufnahme von Reinwasser und kann beispielsweise auch als Temperierungssystem genutzt werden. Ist das Membranteil 23 ein Membranblech oder eine gelochte Wärmeaustauschplatte, so muss in diesem Fall der Druck im Hohlraum 25 zumindest leicht über dem Druck im Reaktionsraum 4 liegen, damit kein Bestandteile des Reak- tionsgemischs in den Hohlraum 25 gelangen kann. Aufgrund der extremen Reaktionsbedingungen im Reaktionsraum 4 besteht die innere Wandschicht 22 vor allem aber das Membranteil 23 aus einem korrosionsbeständigen Material oder sind zumindest mit einem solchen Material beschichtet.
[187] Figur 3 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung einer Anlage.
[188] Die Verbrennung der in der Vorrichtung erzeugten Brennstoffe bzw. Reaktionsprodukte kann in Abhängigkeit von der Art der Brennstoffe beispielsweise in Pelletöfen, Pelletkesseln oder Anbaubrennern, vorzugsweise mit automatischer Brennstoffzufuhr, erfolgen.
[189] Die Anordnung zur Energieerzeugung kann beispielsweise eine Verbrennungs anläge aufweisen, deren Form und Größe des Brenntellers an den Aschegehalt angepasst sind. Da der Aschegehalt bei der Verwendung der anmeldungsgemäßen Vorrichtung geringer ist, reichen kleinere Brenntellerdurchmesser. Zur Verhinderung von Anbackungen am Brennteller ist die anmeldungsgemäße Verbrennungsanlage mit einer automatischen Vorrichtung zur Entfernung der Asche vom Brennteller ausgestattet.
[190] Bei der Energieerzeugung aus staubförmigen Brennstoffen umfasst die anmeldungsgemäße Anlage zur Verbrennung des Staubs ein Kohlekraftwerk beziehungsweise Kohlenstaubfeueurng mit mindestens einer Dampfturbine oder ein super- oder überkritisches Kohlekraftwerk (supercritical coal-fired power plant). Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade findet der Verbrennungsprozess bei möglichst hohen Temperaturen von über 600 Grad Celsius, oder über 650 Grad Celsius und in einem weiteren Ausführungsbeispiel über 700 Grad Celsius statt. Weitere Effizienzsteigerung im Hochtemperaturbereich können beispielsweise durch den Einsatz moderner Kraftwerkstechnologien genutzt werden, so dass eine kombinierter Gas- Dampfturbinenprozess mit höchstmöglichen Effizienzgraden zur Stromerzeugung höher als 43 Prozent, oder höher als 46 Prozent, oder in einem weiteren Ausführungsbeispiel 49 Prozent - 55 Prozent, realisiert werden kann.
[191] Für eine Nutzung des Kombiprozesses können das IGCC-Konzept mit integrierter Kohlevergasung, bevorzugt auch Wirbelschichtfeuerungen, vor allem die druckaufgeladene stationäre Wirbelschichtfeuerung (DWSF) mit Kombiprozess und besonders bevorzugt Kombikraftwerke mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF), eingesetzt werden.
[192] Der Verbrennungsprozess sollte eine Gaseintrittstemperatur von > 1.000 Grad
Celsius, bevorzugt >1.200 Grad Celsius und besonders bevorzugt >1.400 Grad Celsius, aufweisen. Die Hochtemperaturgasreinigung ist so geartet, dass der Partikelgehalt und der Gehalt an korrosiv wirkenden Inhaltsstoffen, insbesondere Natrium- und Kaliumverbindungen, als auch Schadgasen so weit verringert wird, dass das Rauchgas unmittelbar einer Gasturbine zugeleitet werden kann , bevorzugt unter Ausnutzung der Niedertemperaturplasma-Eigenschaften des Rauchgases.
[193] Durch das Vorsehen eines Rauchgasabscheiders innerhalb der anmeldungsgemäßen Anlage kann ein Partikelgehalt < 3mg/m3 i.N. bei d < 3 Mikrometer, Alkaligehalt <0,01 mg/m3 i.N. realisiert werden.
[194] Ein weiterer Weg zur Erzeugung von Strom bzw. Energie aus staubförmigen
Brennstoffen ist die Nutzung in einer Kohlenstoff-Brennstoffzelle. Eine Kohlenstoff- Brennstoffzelle besitzt gegenüber der Wasserstoff-Brennstoffzelle zwei entscheidende Vorteile: Zum einen ist der Ladungszustand von Kohlenstoff doppelt so groß wie der eines Wasserstoffmoleküls. Die Gasvolumina vor und nach der Reaktion sind im Fall der Kohlenstoff-Brennstoffzelle gleich groß, dagegen verschieden im Fall der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Das bedeutet, dass sich die Entropie im ersten Fall fast nicht verändert, der gesamte Heizwert kann daher vollständig in elektrische Energie gewandelt werden. Daher ist der Nutzungsgrad der Kohlenstoff-Brennstoffzelle theoretisch bis zu 60 Prozent höher als bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Das Problem besteht darin, die erforderlichen Teilchendichten für den Kohlenstoff zu erreichen. Die anmeldungsgemäße Anlage bietet die Möglichkeit, einen kohleähnlichen Brennstoff mit einer Partikelgröße im Nanobereich für die Kohlenstoff-Brennstoffzelle herzustellen.
[195] Synergien mit anderen Energieerzeugungsverfahren können durch gemeinsame Nutzung von Vorrichtungen zur Energieerzeugung, insbesondere von Turbinen, vorzugsweise Dampf- oder Gasturbinen, geschaffen werden. Zu den erneuerbaren Energien bei denen sich eine gemeinsame Nutzung von Turbinen und insbesondere von Dampf- oder Gasturbinen anbietet zählt das Dispatchable Wind Power System (DWPS). Dabei wird komprimierte Luft in einem Luftspeicher dekomprimiert. Diese Druckluft wird dann zusätzlich in eine ohnehin laufende Turbine eingeleitet. Der Wirkungsgrad erhöht sich durch Einleitung der Druckluft in eine ohnehin laufende Turbine um mehr als 20 bis 200 Prozent, oder 40 bis 170 Prozent und in einem weiteren Auführungsbeispiel um 60 bis 150 Prozent.
[196] Mindestens ein Teil der Energie, die durch die Verwertung der in der anmeldungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Brennstoffe erzeugt wird, insbesondere in Form von Wärme- und/oder elektrischer Energie, kann anmeldungsgemäß durch eine der folgenden Einrichtungen verwertet werden:
[197] • Fern- und Nahwärmenetze;
[198] • Verarbeitungs- und Behandlungsprozessen von Ausgangsstoffen, Wasser einschließlich Prozesswasser, Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukten , insbesondere von Brennstoffen, kohlenstoffhaltigen Werkstoffen, Humus und/oder Maillard- bzw. Maillard- ähnlichen Reaktionsprodukten aus Biomasse einschließlich Zerkleinerung, Trocknung, Entwässerung, Konditionierung, Aufreinigung und/oder Trocknung, Prozessen zur Metall- und Störstoffentfernung, insbesondere metallische Stoffe, zum Beispiel mittels Zyklonabscheider, Inkubatoren, Rühr- und Mischsysteme, Pumpen, Erwärmung, Zuführung von Wasserdampf, Wärmetauscherprozesse, Verdichtung, Transport- und Förderprozesse, Prozesswasser-, Wasser und Abwasseraufbereitung und Luftreinigung, Fest-Flüssigtrennprozesse, Kühlung sowie Konditionierung zur Weiterverarbeitung und Energiegewinnung;
[199] • Industrielle Betriebe zur Produktion, Verarbeitung und Bearbeitung von Metallen und insbesondere von Aluminium, Ferrosilikon, Nahrungsmitteln insbesondere Milchverarbeitung, Bierherstellung, Gartenbaubetriebe mit und ohne Gewächshäuser und Fleisch Verarbeitung;
[200] • Betriebe zur Herstellung und Verarbeitung von Dünger und Düngemittel, Reifen- recylinganlagen ;
[201] • Betriebe und Produktionsstätten der chemischen Industrie insbesondere für die
Erzeugung und Verarbeitung von Produkten aus Luftbestandteilen und anderen Stoffen in gasförmiger und flüssiger Form einschließlich, Sauerstoff, Stickstoff und Argon;
[202] • Wasserreinigungs- und Entsalzungsanlagen, insbesondere unter Nutzung der Umkehrosmose; oder
[203] • Ölmühlen, Raffinerien, Anlagen zur Ethanolherstellung.
[204] Zwecks Wärme- und Energieaustausch und zur Ausnutzung von Synergiepotenzialen kann die Verwertung der mit der anmeldungsgemäßen Anlage erzeugten Brennstoffe und/oder Reaktionsprodukte gemeinsam mit verschiedenen Kraftwerks- und Energieerzeugungsprozessen betrieben werden. Dazu sind insbesondere geeignet:
[205] - Kohlekraftwerke, darunter insbesondere das IGCC-Konzept mit integrierter Kohlevergasung, bevorzugt auch Kohlestaub-Kraftwerke, insbesondere Wirbelschichtfeuerungen, vor allem die druckaufgeladene stationäre Wirbelschichtfeuerung (DWSF) mit Kombiprozess und besonders bevorzugt Kombikraftwerke mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF);
[206] - Gaskraftwerke;
[207] - Brennstoffzellen mit unterschiedlichen Brennstoffen einschließlich Methanol, Kohle, Öl und Gas;
[208] - Biomassekraftwerke; oder
[209] - Solarkraftwerke.
[210] Figur 3 zeigt eine Anlage zur Erzeugung von Energie mit einer Vorrichtung 1 zur Behandlung der Biomasse und einer Anordnung 2 zur Energieerzeugung. Die Vor- richtung 1 umfasst zwei in Serie geschaltete Reaktoren 3, 4, die jeweils einen zylindrischen Grundkörper aufweisen, der einen Reaktionsraum 5 einschließt und eine Art Druckbehälter darstellt. Der Reaktionsraum 5 dient der Aufnahme der Ausgangsstoffe einschließlich der Biomasse. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner Zerkleinerungsvorrichtungen in Form eines Häckslers 6 und einer Mühle 7. Die Biomasse wird zunächst zur groben Zerkleinerung dem Häcksler 6 zugeführt (Pfeil 8) und von dort aus zur weiteren Zerkleinerung in die Mühle 7 geführt. Die derart vorbereitete Biomasse wird dann in einer Mischvorrichtung 9 intensiv gemischt, wobei auch HiI- fsstoffe, wie beispielsweise Katalysatoren, zugesetzt werden können (Pfeil 10). Die Biomasse wird anschließend mittels der Pumpvorrichtung 11 über die Leitung 12 den Reaktoren 3, 4 zugeführt und in deren Reaktionsräumen 5 unter Druck, beispielsweise 7 bar, und bei hoher Temperatur, beispielsweise mindestens 160 0C, weiter behandelt. Das Einstellen der erforderlichen Temperatur in den Reaktionsräumen 5 wird dabei durch das Temperierungssystem 13 sichergestellt. Das Temperierungssystem 13 kann beispielsweise eine Einrichtung zum Erhitzen eines Fluids umfassen, das mittels der Pumpe 14 Wärmetauschern in bzw. an den Reaktoren 3, 4 zugeführt wird. Die Ein- speisung der Biomasse in die hintereinander angeordneten Reaktoren 3, 4 wird über die Ventileinrichtungen 15, 16 gesteuert.
[211] Nach der Behandlung der Biomasse werden die Reaktionsprodukte aus den
Reaktoren 3, 4 abgezogen und einer Trenn Vorrichtung 20 zugeführt, welche die festen Reaktionsprodukte von den flüssigen Bestandteilen trennt. Die flüssigen Bestandteile werden einer Abwasseraufbereitungsanlage 21 zugeführt und dort umweltgerecht gereinigt. Die noch feuchten, festen Reaktionsprodukte werden über die Entspannungseinrichtung 22 in eine Trocknungsvorrichtung 23 eingebracht und dort bis zum gewünschten Restfeuchtgehalt getrocknet. Bei den getrockneten Reaktionsprodukten handelt es sich in der Regel um Kohlestaub oder ähnliche Brennstoffe. Die Brennstoffe werden in einem zwischen der Vorrichtung 1 und der Anordnung 2 angeordneten Brennstofflager 24 zwischengelagert.
[212] Die Anordnung 2 zur Energieerzeugung umfasst eine Verbrennungsanlage 30, welche der Verbrennung der mittels der Vorrichtung 1 hergestellten Brennstoffe dient. Die Wärmeenergie der Verbrennung wird in der Verbrennungsanlage 30 genutzt, um Wasser bzw. Wasserdampf in dem Rohr 31 zu erhitzen und mit dem so erzeugten Wasserdampf die Turbine 32 anzutreiben. Die Rotationsenergie der Turbine 32 wird dem Generator 33 zugeführt und durch diesen in elektrische Energie umgewandelt, die beispielsweise in ein Stromnetz eingespeist werden kann (Pfeil 34). Das bei der Verbrennung in der Verbrennungsanlage 30 entstehende Rauchgas wird in einem Reinigungsverfahren 35, das beispielsweise eine Rauchgasentschwefelung und eine Rauch- gasentstickung umfasst behandelt, bevor es über einen Schornstein 36 ins Freie abgeführt wird.
[213] Aus den Ausgangsstoffen werden im Verlauf der Prozessführung auch organische als auch anorganische Stoffe herausgelöst beziehungsweise leichter verfügbar und zugänglich gemacht. Dies geschieht zum Teil dadurch, dass die Stoffe in die wässrige Phase gehen, in der sie zum Teil in Lösung gehen. Dies hängt wiederum von den Reaktionsbedingungen ab. Zu den herausgelösten beziehungsweise leichter verfügbaren und zugänglichen Stoffen zählen neben den organisch gelösten und nichtgelösten Stoffen auch anorganische Stoffe, wie Alkalien, Metalle, Salze und Säuren einschließlich huminsäureähnliche Stoffe, Calcium, Magnesium, Chlor, Eisen, Aluminium, Phosphor, Kalium, Natrium, Stickstoff und deren Verbindungen.
[214] Die festen kohlenstoffhaltigen Bestandteile des Reaktionsprodukts, die nach der Umwandlungsreaktion als Werk- und/oder Brennstoffe vorliegen, weisen unter anderem folgende Eigenschaften auf:
[215] Die Zusammensetzung der Werk- und/oder Brennstoffe lässt sich durch die Reaktionsführung steuern. Die Konzentration einzelner Stoffe kann nicht ohne weiteres selektiv und unabhängig von anderen Stoffen variiert werden. Es lassen sich vielmehr verschiedene Stoffgruppen und Parameter gleichsinnig verändern. Beispielsweise wird bei einer Verminderung des Schwefelgehalt gleichzeitig auch der Chlor- und Aschegehalt vermindert.
[216] In verschiedenen Messungen mittels Elementaranalyse lag der Kohlenstoff anteil für Gras, Heckenschnitt (Tuja) und Zuckerrübe bei über 50 bis 63 Prozent des prozentualen Massenanteil der Elemente (Trockenmasse) und lag damit um etwa 20 bis 60 Prozent über dem Massenanteil des Ausgangsstoffs. Der Sauerstoff anteil war um bis zur Hälfte und der Stickstoffanteil um etwa ein Viertel reduziert und der Wasserstoffanteil war auf bis zu etwa einem Viertel vermindert.
[217] Der Kohlenstoffanteil der Werk- und/oder Brennstoffe ist im Vergleich zur Biomasse um 10 bis 300 Prozent, auch 50 bis 300 Prozent, oder auch 100 bis 300 Prozent, insbesondere um 200 bis 300 Prozent höher.
[218] Der Kohlenstoffanteil der Werk- und/oder Brennstoffe ist im Vergleich zur Biomasse um 5 bis 200 Prozent, vorzugsweise 10 bis 150 Prozent, besonders bevorzugt 10 bis 120 Prozent, insbesondere 50 bis 100 Prozent höhen
[219] Der Kohlenstoff anteil der Werk- und/oder Brennstoff liegt in der Regel zwischen 40 bis 95 Prozent, auch 50 bis 90 Prozent oder auch bei 55 bis 80 Prozent. Der Kohlenstoffanteil kann in Abhängigkeit von der Reaktionsführung und vom Ausgangsstoff aber auch höhere Reinheitsgrade erreichen von über 98 Prozent.
[220] Der Wasserstoff anteil des Werk- und/oder Brennstoffs ist im Vergleich zur Biomasse um 1 bis über 300 Prozent, auch 5 bis 200 Prozent, oder auch 20 bis 100 Prozent vermindert. [221] Der S auerstof fanteil des Werk- und/oder Brennstoffs ist im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis über 300 Prozent, auch 5 bis 200 Prozent, oder auch 15 bis 100 Prozent vermindert.
[222] Der Stickstoffanteil des Werk- und/oder Brennstoffs ist im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis über 300 Prozent, auch 5 bis 200 Prozent, oder auch 15 bis 100 Prozent vermindert.
[223] Der Schwefelanteil des Werk- und/oder Brennstoffs kann einen Bruchteils der
Biomasse ausmachen und ist im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 300 Prozent, auch 5 bis 200 Prozent oder um 200 bis 600 Prozent oder auch 400 bis über 1800 Prozent vermindert.
[224] Der Ascheanteil des Werk- und/oder Brennstoffs kann einen Bruchteils der Biomasse ausmachen und ist im Vergleich zum Ausgangs Stoff um 1 bis 100 Prozent, auch 101 bis 1000 Prozent, oder auch 1000 bis über 3000 Prozent vermindert.
[225] Der Feinstaubanteil des Werk- und/oder Brennstoffs kann einen Bruchteils der
Biomasse ausmachen und ist im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 200 Prozent, auch 201 bis 1500 Prozent, oder auch 1501 bis über 2000 Prozent vermindert.
[226] Eine Verminderung der Mineralanteile sowie des Asche- und Feinstaubanteils bei der Verbrennung auf ein Mehrfaches zum Beispiel von deutlich über 300 Prozent kann durch einen hohen Anteil an Prozesswasser ermöglicht werden. Durch Erhöhung des Prozesswasseranteils tritt eine Verdünnung der genannten Anteile aber auch zahlreicher anderer Stoffe ein, die ursprünglich im Ausgangsstoff enthalten waren und während der Umsetzungsreaktion herausgelöst werden und in Lösung gehen. Man könnte sagen, dass diese Stoffe herausgewaschen werden, so dass praktisch der Anteil der löslichen Stoffe proportional zum zugeführten Prozesswasser in der festen Phase gesenkt werden kann.
[227] Selbst bei Auslassung eines Katalysatorbestandteils oder suboptimalen Reaktionsbedingungen kann immer noch ein höherer Kohlenstoffanteil erreicht werden, der um über 5 bis 10 Prozent über dem des Ausgangsstoffs liegt. Bei sachgerechter Behandlung der Biomasse und Prozessführung kann ein Kohlenstoffanteil von 55 bis 77 Prozent erreicht werden. Bei sachgerechter Prozessführung, günstigen Ausgangsstoffen einschließlich Abstimmung des Katalysatorgemischs lassen sich auch Kohlenstoffwerte von 78 Prozent und mehr erzielen und ist damit dem fossiler Brennstoffe vergleichbar.
[228] Nach Abschluss der Umsetzungsreaktion ist der Kohlenstoffanteil des Werk- und/ oder Brennstoffs zwar angestiegen, der Energiegehalt beziehungsweise der Brennwert kann aber um bis zu 36 Prozent gesunken sein. Denn es wird während der Reaktion Wärme freigesetzt, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Im Umkehrschluss bleiben insgesamt mindestens 65 Prozent des ursprünglichen Brennwertes der trockenen Biomasse erhalten.
[229] Wird als Ausgangsstoff kohlehydrathaltige Biomasse verwendet wie Korn, Mais oder Zucher beträgt der Brennwert des Werk- und/oder Brennstoffs etwa 65 bis 85 Prozent oder in einem anderen Ausführungsbeispiel 70 bis 80 Prozent im Vergleich zum Ausgangsstoff. Je weniger Kohlenhydrate der Ausgangsstoff enthält, desto geringer die Energiefreisetzung während der Umsetzungsreaktion. Dies bedingt gleichzeitig auch einen höheren Brennwert des Reaktionsprodukts im Vergleich zum Ausgangs Stoff.
[230] In beispielhafter Weise können die Energiegehalte des Reaktionsprodukts in Abhängigkeit von der verwendeten Biomasse wie folgt beschrieben werden:
[231] Wird als Ausgangsstoff lignocellulosehaltige Biomasse verwendet wie Schnittgrün oder Ernteabfälle, beträgt der Brennwert des Werk- und/oder Brennstoffs etwa 70 bis 90 Prozent und auch 75 bis 85 Prozent im Vergleich zum Ausgangsstoff.
[232] Wird als Ausgangsstoff Biomasse mit geringem Kohlehydrat-, Zellulose- oder Lign- inanteil verwendet wie zum Beispiel Klärschlamm, beträgt der Brennwert des Werk- und/oder Brennstoffs etwa 80 bis 95 Prozent und auch 85 bis 90 Prozent im Vergleich zum Ausgangsstoff.
[233] Rein-, Reinstkohle oder ultrareine Kohle kann vielseitig Anwendung finden, zum Beispiel als chemischer Grund- und Ausgangsstoff zur Weiterverarbeitung in der chemischen Industrie oder als Brennstoff für eine Kohlenstoff-Brennstoffzelle.
[234] Während des Reaktionsverlauf sind zahlreiche Stoffe aus der festen Phase herausgelöst worden. Sie liegen nun zu in der wässrigen Phase vor und sind im Prozesswasser gelöst. Aus dem Prozesswasser können verschiedene Mineralien wie Phosphor, Schwefel aber auch Nitrat zurück gewonnen werden. Diese können dann als Dünger, Roh- oder Werkstoff für andere Prozesse verwendet werden. Im Sinne eines natürlichen Kreislaufs ist die Isolierung mineralischer Bestandteile insbesondere aus der flüssigen Phase von Interesse, denn diese können als Dünger wieder zum natürlichen Aufbau von Biomasse wieder auf Flächen ausgebracht werden. Dadurch kann ein annähernd geschlossener Kreislauf dargestellt werden, indem den Flächen, denen vorher Biomasse für den Produktionsprozess entnommen wurde, nun wieder die Nährstoffe, die in dieser Biomasse enthalten waren, zurückgeführt werden.
[235] Durch Depolymerisations- und neue Polymerisationsprozesse bilden sich völlig neue chemische Kohlenstoffverbindungen und Strukturen, insbesondere bilden sich Ag- glomerate, die mit geringerem Energieaufwand zerkleinert werden können als die meisten bekannten Brennstoffe. Weiter kommt es in Abhängigkeit vom Ausgangsstoff es zu einer bräunlich- schwarzen Färbung, wahrscheinlich durch Bildung von Maillard- Reaktionsprodukten.
[236] Die Dichte vieler Ausgangsstoffe liegt vor Reaktionsbeginn unter der von Wasser. Während des Reaktionsverlaufs nimmt die Dichte kontinuierlich zu und erreicht in Abhängigkeit der Ausgangsstoffe und Reaktionsführung eine Dichte vergleichbar mit Steinkohle erreichen. Während die Dichte der meisten Ausgangs Stoffe bei 200 bis 600 kg/m3 und gelegentlich bis 800 kg/m3 (Trockengewicht) liegt, kann die Dichte des Reaktionsprodukt über 900 bis 1200 kg/m3, gelegentlich sogar Werte von 1250 bis 1350 kg/m3 erreichen unter der Voraussetzung, dass die Luft zwischen den Partikeln des Reaktionsprodukts herausgepresst wird.
[237] Durch die geringe Partikelgröße des Reaktionsprodukts weist es im Vergleich zum Ausgangsstoff eine größere Oberfläche auf. Dies erleichtert die Trocknung bei gleichem Feuchtigkeitsgehalt leichter möglich als bei natürlich vorkommenden Kohlenstoffverbindungen mit vergleichbarem Kohlenstoffgehalt. Gleichzeitig trägt die große Oberfläche zu einer niedrigen Zündtemperatur bei.
[238] Zu den Unterscheidungsmerkmalen der Reaktionsprodukte zählt das Vorliegen von Maillard- oder Maillard- ähnlichen Reaktionsprodukten sowohl in der flüssigen als auch in der festen Phase. Die starke und intensive Geruchsbildung variiert mit den Ausgangsstoffen. Die Geruchsbildung hängt ursächlich mit der Bildung von Maillard- Reaktionsprodukten zusammen.
[239] - Verbesserte elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu anderen natürlich vorkommenden Kohlenstoffverbindungen mit vergleichbarem Kohlenstoffgehalt.
[240] - Torf- bis Steinkohle- ähnlicher Brennstoff.
[241] - Weniger flüchtige Bestandteile als gebräuchliche oder fossile Brennstoffe mit gleichem Kohlenstoffanteil.
[242] - Geringere Aschebildung durch Verbrennung, niedrigerer Gehalt an Stickstoff, Schwefel, Nitrat, Schwermetalle und reaktiver, das heißt niedrigere Selbstentzündungstemperaturen als bei vergleichbaren fossilen Brennstoffen mit ähnlich hohem Kohlenstoffanteil.
[243] - Vorteilhafte und weniger schädliche Zusammensetzung der Rauchgase durch Verbrennung als vergleichbarer fossiler Brennstoff mit ähnlich hohem Kohlenstoffanteil.
[244] Insgesamt ergeben sich aus den oben aufgeführten Charakteristika des neuen Reaktionsprodukts zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Brennstoffen sowie umweit- und klimafreundliche Eigenschaften. Gegenüber den gebräuchlichen Verfahren zur Energiegewinnung aus Biomasse ist das Behandlungsverfahren zum Zweck einer industriellen Herstellung von Werk- und/oder Brennstoffen aus Biomasse effizienter und wirtschaftlicher. Bei der stofflichen Umwandlung der Biomasse braucht praktisch kein Kohlenstoff verloren gehen. In der Regel geht über 95 Prozent des Kohlenstoffs, der im Ausgangsstoff enthalten ist, in die festen Bestandteile des Reaktionsprodukts über, der zur Energiegewinnung genutzt werden kann. In der flüssigen Phase findet sich der Rest der Kohlenstoffverbindungen. Während der Umwandlungsreaktion im Reaktor werden praktisch kaum nennenswerte Mengen von Kohlendioxid oder andere klimaschädliche Gase freigesetzt.
[245] In der flüssigen Phase können sich etwa 1 - 4 Prozent des Kohlenstoffs der Ausgangsstoffe finden. Der Anteil hängt dabei von der Prozessführung, insbesondere vom Kohlenstoffgehalt des Ausgangsstoffs und vom Flüssig-Fest- Verhältnis des Reak- tionsgemischs ab.
[246] Durch die Reaktionsführung und insbesondere durch die Auswahl und Zusammensetzung der Ausgangs Stoffe und Katalysatoren werden kohlenstoffhaltige Nanow- erkstoffe und -Strukturen geformt. Diese Werkstoffe weisen zum Teil nützliche Material- und Oberflächeneigenschaften auf. Dazu gehören zum Beispiel Nanoschwämme, die als Wasserspeicher oder Dämmstoffe eingesetzt werden können.
[247] Die so genannte Maillard-Reaktion findet bei Erhitzungsverfahren wie Backen, Braten, Rösten, Grillen und Frittieren von eiweißhaltigen und kohlenhydratreichen Lebensmitteln bei Temperaturen über 13O0C statt. Im Verlauf der so genannten Maillard-Reaktion entstehen aus Kohlenhydraten und Aminosäuren neben einer Vielzahl von Aromastoffen rot- bis gelbbraune, manchmal fast schwarz gefärbte Polymere - die Melanoidine. Durch hohe Temperaturen, wie sie beim Backen und Rösten auftreten, aber auch durch höhere Drücke wird die Reaktion beschleunigt und besonders viele und dunkle Melanoidine gebildet. Sie stellen deshalb in Produkten wie Brot, Kaffee, Malz, Nüssen oder Cornflakes einen nicht unerheblichen Anteil am Lebensmittel dar - in Kaffee sind es beispielsweise bis zu 30 Prozent.
[248] Die Au sgangsstoffe der Maillard-Reaktion bilden in einer ersten nicht-en- zymatischen Reaktion eine Schiff 'sehe Base. Dieser Schritt vollzieht sich innerhalb von Minuten bis Stunden und ist reversibel, da die Schiff 'sehe Base eine sehr instabile Verbindung ist. Die Menge der Schiff 'sehen Base ist direkt von der Gluc- osekonzentration abhängig, da das Produkt innerhalb von Minuten zerfällt, wenn der Reaktion Glucose entzogen oder die Konzentration verringert wird. Im Weiteren lagert sich die instabile Schiff sehe Base zu dem weitaus stabileren Amadori-Produkt um. Dieser Prozess ist wesentlich langsamer, aber da er weniger reversibel ist, akkumulieren die Amadori- Produkte. Die primären Amadori-Produkte lagern sich um und reagieren weiter zu den Endprodukten der Maillard-Reaktion, den Advanced Glycation Endproducts (AGE). Durch Umlagerung und Polymerisation können die AGEs Quervernetzungen mit anderen Proteinen ausbilden. Aufgrund des Entstehungsweges gibt es sehr viele verschiedene und komplexe Formen von AGEs, wobei Nε- (carboxymethyl)Lysin (CML), Furosin und Pentosidin bisher am intensivsten untersucht wurden.
[249] Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte werden bei der Hydrothermalen Karbonisierung in hohen Konzentrationen gebildet. Sowohl in der festen (v.a. Feststoffe) als auch in der flüssigen Phase (z.B. Prozess was ser) finden sich relativ hohe Konzentrationen der Indikatorsubstanz CML, die in der Regel zwischen 0,3 - 2 mmol/ mol Lysin liegen. In der flüssigen Phase, das heißt im Prozesswasser liegen in der Regel höhere Konzentrationen vor, als in der festen Phase des Reaktionsprodukts. Die Konzentrationen beziehungsweise Konzentrationsverhältnisse sind vom Fest- Flüssig- Verhältnis sowie von der Zusammensetzung der Ausgangs Stoffe sowie der Prozessführung abhängig. CML werden antioxidative und chemopräventive Eigenschaften zugesprochen. Es ist daher davon auszugehen, dass vergleichbare oder ähnliche Eigenschaften auch bei anderen Zwischen-, Neben- oder Reaktionsprodukten der hydrothermalen Karbonisierung einschließlich der Maillard- oder Maillard- ähnliche Reaktionsprodukte zu finden sind.
[250] Isolation und Aufreinigung der Maillard- oder Maillard- ähnlichen Reaktionsprodukte erfolgen unter anderem über Filtration, Ultrafiltration und/oder chromatographische Verfahren insbesondere über Säulenchromatographie.
[251] Der Humus, der mittels hydrothermaler Karbonisierung im anmeldungsgemäßen
Verfahren hergestellt wird, entsteht im Vergleich zu Reaktionsprodukten mit höherem Brennwert durch eine vergleichsweise kürzere Verweilzeit. Er weist in der Regel noch faserhaltiges Material (v.a. Lignin und Cellulose) der Ausgangs Stoffe auf. Die Vernetzung der Biopolymere ist nicht vollständig aufgehoben. Der anmeldungsgemäß hergestellte Humus besitzt einen Kohlenstoffanteil von mindestens 30 bis 45 Prozent und einen Heizwert von mindestens 15 bis 24 MJ/kg und ist gut brennbar.
[252] Der anmeldungsgemäß hergestellte Humus kann z.T. über ähnliche Eigenschaften wie natürlicher Humus und teilweise auch Torf verfügen:
[253] o Er schützt den Boden vor Erosion durch Regen, weil das Wasser gleichmäßig und tief einsickern kann,
[254] o reduziert die Erosion durch Wind,
[255] o ernährt Regenwürmer und andere nützliche Bodenorganismen,
[256] o senkt die Bodentemperatur im Sommer und erhöht sie im Winter,
[257] o versorgt die Pflanzen mit Nährstoffen, wobei er sie so langsam abgibt, dass die Pflanzen sie bewältigen können,
[258] o befähigt den Boden, das Wasser schwammartig zu speichern und begrenzt die Verdunstung auf ein Minimum,
[259] o kontrolliert die chemischen Veränderungsprozesse im Boden bei Zugabe von Kalk und organischem Dünger,
[260] o setzt organische Säuren frei, mit denen hoch alkalischer Boden neutralisiert wird, um Mineralien freizusetzen, und
[261] o speichert Ammoniak und andere Stickstoffverbindungen in austauschbarer und verwertbarer Form.
[262] Im Unterschied zu Humus oder Torf, der sich über lange Zeiträume natürlich gebildet hat, gibt es verschiedene positive Merkmale:
[263] o Die Wasserbindungskapazität lässt sich durch die Prozessführung stark erhöhen und übersteigt die von natürlichem Humus oder Torf deutlich. Sie kann sogar ein Vielfaches betragen.
[264] o Für die Verbrennungseigenschaften treffen die vorgenannten Eigenschaften zu den Reaktionsprodukten der hydrothermalen Karbonisierung zu.
[265] Durch optimierte Prozessführung, insbesondere durch Konzentrationsgefälle zwischen fester und flüssiger Phase innerhalb des Reaktionsgemischs, können bestimmte Stoffe im Humus angereichert werden. Dies ist bei der Verwertung des Humus als CO2-Bindungsstoff beziehungsweise Dünger erwünscht. Im Gegensatz dazu wird bei der Verarbeitung oder Beimischung von anmeldungsgemäß hergestelltem Humus zu Produkten, bei denen eine Anreicherung bestimmter Stoffe nicht erwünscht ist, durch die Prozessführung eine Anreicherung von mineralischen und für die Produktverwertung schädlichen Stoffen und Alkalien vermieden. Der anmeldungsgemäß hergestellte Humus ist ein einheitlicher Humus und Brennstoff, dessen Eigenschaften sich über die Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und der Katalysatoren sowie die Prozessführung berechnen und steuern lassen, anmeldungsgemäß hergestellter Humus kann innerhalb von Stunden hergestellt werden. Das anmeldungsgemäße Verfahren ist damit wesentlich schneller als andere bekannte Produktionsverfahren von Humus, die in der Regel Wochen und Monate in Anspruch nehmen.
[266] Die anmeldungsgemäß hergestellten Werk- und/oder Brennstoffe einschließlich Torf beziehungsweise Torf-ähnliche Stoffe haben folgende vorteilhafte Eigenschaften:
[267] • Aus Biomasse entsteht durch Anwendung des anmeldungsgemäßen Verfahrens ein Torf- bis Steinkohle-ähnlicher Brennstoff.
[268] • Der Brennwert ist abhängig von der Prozessführung, insbesondere von der Reaktionsdauer. Der Brennwert steigt mit der Reaktionsdauer beziehungsweise Verweilzeit im Reaktor.
[269] • Weniger flüchtige Bestandteile als gebräuchliche oder fossile Brennstoffe mit gleichem Kohlenstoffanteil.
[270] • Die Energieausbeute bis zur Kohle ist 0,7 - 0,95. Je geringer der Kohlehydratanteil, desto höher der Energieerhalt.
[271] • 90 - 95 %: Lignine bzw. bakterielle Biomasse.
[272] • Die Brennstoffe sind reaktiver und besitzen niedrigere
Selbstentzündungstemperaturen als vergleichbarer fossiler Brennstoff mit ähnlich hohem Kohlenstoffanteil.
[273] • Fossile Brennstoffe wie Braunkohle oder Steinkohle weisen im Vergleich zu Brennstoffen, die mittels hydrothermaler Karbonisierung im anmeldungsgemäßen Verfahren hergestellt werden (Brennstoffe), zwar ähnliche Heizwerte auf, unterscheiden sich von Brennstoffen aber deutlich im Hinblick auf die Zusammensetzung und Eigenschaften.
[274] • Die unterschiedlichen Arten und Sorten von fossiler Kohle haben je nach
Herkunftsort und Abbaugebiet sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen und Eigenschaften, so dass jede Kohlesorte einzigartige und unverwechselbare charakteristische Merkmale besitzt. Beispielsweise liegt der Heizwert von fossiler Lausitzer Rohbraunkohle bei 8.700 kJ/kg, der Wassergehalt bei ca. 56 Prozent, Schwefelgehalt bei ca. 0,7 Prozent und der Aschegehalt bei ca. 4,5 Prozent. Sowohl Wasser-, Schwefel- und Aschegehalt des Brennstoffs sind geringer während der Brennwert in der Regel deutlich 20.000 kJ/kg liegt. Unabhängig vom Wassergehalt kann a us 1 Kilogramm fossiler Lausitzer Rohbraunkohle in der Lausitz 1 Kilowattstunde Strom erzeugt werden kann. Dagegen kann aus der gleichen Menge Brennstoff mehr als das Doppelte an Strom erzeugt werden.
[275] • Im Gegensatz zu fossiler Kohle finden sich im anmeldungsgemäßen Werk- und/ oder Brennstoff gut nachweisbare Konzentrationen an Maillard- Reaktionsprodukten. Als Indikator hat sich Nε-(carboxymethyl)Lysin (CML) etabliert. Sowohl in der flüssigen als auch in der festen Phase der Reaktionsprodukte wird diese Verbindung nachgewiesen. Es wurden Konzentrationen von 0,2 bis über 1,5 mmol/mol Lysin gemessen wobei in der flüssigen Phase höhere Anteile als in der festen gemessen wurden. Die Verteilung der Konzentrationen ist jedoch abhängig von den Ausgangsstoffen, den Reaktionsbedingungen und der Prozessführung.
[276] • Fossile Kohle liegt nach dem Abbau in Klumpen beziehungsweise je nach Abbautiefe in relativ hochverdichteten Agglomeraten vor, die unter hohem Energieaufwand zerkleinert werden müssen. Weiter muss sie getrocknet und in Kohlemühlen zu feinem Braunkohlenstaub zermahlen werden. Im Gegensatz dazu liegen Werk- und/oder Brennstoffe nach Abschluss des Prozesses als kleine Partikel in der Regel unter 1 Millimeter bis unter 30 Nanometer Größe vor und sind aufgrund ihrer großen Oberfläche leichter zu trocknen. Damit ist der Energieaufwand zur Konditionierung und insbesondere Trocknung von Brennstoffen wesentlich geringer im Vergleich zu fester fossiler Kohle.
[277] • Insbesondere sind die Verbrennungseigenschaften des Brennstoffs nicht nur gegenüber fossilen Kohlesorten sondern auch gegenüber den meisten bisher verfügbaren Brennstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen günstiger. Mindestens einer meist aber mehrere oder alle der folgenden Parameter fallen bei Brennstoffen insbesondere gegenüber den Ausgangs Stoffen beziehungsweise alternativen fossilen oder Biomasse-Brennstoffen günstiger aus: verminderter Ascheanteile, weniger Chlor, Nitrat, Schwefel, Schwermetalle sowie geringere Emissionen von Staub, Feinstaub und gasförmigen Schadstoffen einschließlich Stick- und Schwefeloxide. Dies gilt auch für die gepressten Formen von Brennstoffen wie Briketts und Pellets.
[278] • Die Qualität des Brennstoffs und die Verbrennungseigenschaften ist abhängig vom Ausgangsstoff beziehungsweise dem Gemisch der Ausgangsstoffe, von der Prozessführung, vom Katalysatorgemisch und von der Zusammensetzung des Prozesswassers,
[279] • Ausgangs Stoffe mit hohen Anteilen an Fett und Energiegehalt führen zu
Brennstoffen mit höheren Heizwerten. Beispielsweise kann bei der Verarbeitung besonders geeigneter Klärschlämmen Heizwerte von 34 - 36 MJ/kg erzielt werden.
[280] • Der Aschegehalt nach Verbrennung des Brennstoffs mit einem Brennwert von 30 - 33 MJ/kg ist im Vergleich zum Ausgangs Stoff mit einem Brennwert von 17 - 20 MJ/kg um bis zu 75 Prozent und mehr vermindert.
[281] • Der Schwefelgehalt nach Verbrennung des Brennstoffs mit einem Brennwert von 30 - 33 MJ/kg ist im Vergleich zum Ausgangsstoff mit einem Brennwert von 17 - 20 MJ/kg um bis zu 50 Prozent und mehr geringer.
[282] • Die Feinstaub- und Gasemissionen sind im Vergleich zum Ausgangsstoff geringer.
[283] • Das Verbrennungsergebnis wir durch die Einheit von Prozessführung, aufbereitungsabhängiger Brennstoffqualität und Feuerungstechnik bestimmt.
[284] • Der Brennstoff ist ein einheitlicher Brennstoff, dessen Eigenschaften sich über die Zusammensetzung der Ausgangs Stoffe und der Katalysatoren sowie die Prozessführung berechnen und steuern lassen.
[285] • Neben den bereits angeführten Unterschieden bei den Verbrennungseigenschaften sind dies zusätzliche Unterscheidungsmerkmale zu fossilen Brennstoffen wie Steinkohle, Braunkohle oder Torf.
[286] Auch Rein-, Reinst- und Ultrareinkohle-ähnliche Stoffe gehören zu den anmeldungsgemäßen Produkten. Sie verfügen über vorteilhafte Eigenschaften, die vor allem auf der Verminderung mineralischer Stoffe gegenüber den Ausgangs Stoffen zurückzuführen ist. Unter Reinkohle wird vor allem der brennbare Anteil der Kohle und unter Reinstkohle wird auch Aktivkohle verstanden. Bei Ultrareinkohle liegt beispielsweise der Mineralgehalt unter 0,1 Gewichtsprozent verfügen.
[287] Herstellung von Briketts aus Partikeln und Staub aus Reaktionsprodukten des anmeldungsgemäßen Verfahrens (Briketts, Staub):
[288] • Neben hoher Festigkeit und Dichte von Briketts sind eine schnelle Zündung und ein gutes Abbrandverhalten die wichtigsten Kriterien für Briketts.
[289] • Durch eine starke Kreuzprofilierung von etwas ein bis zwei Zentimeter Tiefe mit Neigungswinkeln zwischen 30 bis 70 Grad verbessert sich das Zündverhalten durch eine verbesserte Luftströmung im Feuerraum und bietet eine größere spezifische Oberfläche, was zu einem besseren Ausbrennen des Briketts führt. [290] • Unterstützend für Stabilität und Brennverhalten ist das Mischungsverhältnis von anmeldungsgemäß erzeugtem Mahlstaub zu Cellulose- beziehungsweise Lignin-haltige Komponenten.
[291] • Ein Verhältnis von Staub mit Heizwerten von 25 - 30 MJ/kg zu Holzspänen beziehungsweise Holzhackschnitzeln liegt bei 53: 47, auch bei 58:42 oder auch bevorzugt bei 64:36. Der Wassergehalt der Holzspäne beziehungsweise Holzhackschnitzel kann dabei um die 10 Prozent liegen. Die Partikel können nicht größer als 2 mm, auch kleiner 1,5 mm und auch kleiner 1 mm sein.
[292] • Ein Verhältnis von Staub mit Heizwerten von 22 - 25 MJ/kg zu Stroh liegt bei 61: 39, auch bei 66:44 oder auch bei 72:28. Der Wassergehalt der Holzspäne beziehungsweise Holzhackschnitzel kann dabei um die 10 Prozent liegen. Die Partikel können dabei nicht größer als 2 mm, auch kleiner 1,5 mm oder auch bevorzugt kleiner 1 mm sein.
[293] • Den obigen Verhältnissen entsprechend wird Staub mit Torf mit äquivalentem Cellulose- und Lignin-Gehalt zu Briketts verarbeiten.
[294] • Torf kann auch allein bei äquivalentem Cellulose- und Lignin-Gehalt zu Briketts verarbeitet werden.
[295] • Der Staub und Cellulose- und Lignin-haltigen Zusatzstoffe beziehungsweise Torf werden gemeinsam oder allein intensiv vermischt zum Beispiel in einer Schlagnasenmühle mit 2 mm-Conidur-Austragssieb.
[296] • Der Pressdruck liegt über 100 MPa, auch über 120 MPa oder auch über 140 MPa.
[297] • Die Verpressungstemperatur beträgt 80 Grad Celsius und sollte 90 Grad Celsius nicht übersteigen.
[298] • Das Format liegt bei etwa 250 x 60 x 50 mm.
[299] • Die Rohdichte der Briketts liegt bei etwa 0,95 - 1,15 g/cm3.
[300] Herstellung von Pellets aus Reaktionsprodukten des anmeldungsgemäßen Verfahrens (Pellets):
[301] • Zur Herstellung von Pellets mittels des anmeldungsgemäßen Verfahrens (Pellets) wird das Verfahren der Feuchtpelletierung mit anschließender Agglomerattrocknung bevorzugt. Dieses Verfahren ist dazu geeignet, um aus Brennstoffen unterschiedlicher Heizwerte Pellets mit relativ geringem Aufwand herzustellen.
[302] • Mit Pellets lassen sich gute Verbrennungsergebnisse in handelsüblichen automatischen Feuerungssystemen erzielen.
[303] • Dabei werden die festgelegten Emissionsnormen für Kleinfeuerstätten erfüllt.
[304] • Voraussetzung ist die Darbietung des Brennstoffs in einer kleinstückigen und möglichst gleichförmigen Form.
[305] • Die Pellets besitzen einen Durchmesser von 3 - 7 mm und bevorzugt von 4 - 6 mm. Die Länge liegt zwischen 5 und 45 mm. Sie weisen eine hohe Festigkeit, Staubarmut und Wasserbeständigkeit auf und lassen sich gut dosieren.
[306] • Die Pellets werden den vollautomatisierten Pelletöfen oder -kesseln kontinuierlich zugeführt und dort geregelt verbrannt.
[307] • Durch eine gleichmäßige und möglichst vollständige Verbrennung unter optimierten Bedingungen lässt sich ein hoher thermischer Wirkungsgrad bei minimalen Schadstoffemissionen erzielen.
[308] • Bei hohen Heizwerten über 25 MJ/kg und auch über 27 MJ/kg werden Bindestoffe und Verbrennungsbeschleuniger eingesetzt, insbesondere Tapetenleim, Wiesengras, Stroh und andere Lignocellulose-haltige Biomasse.
[309] • Das Verhältnis von Staub mit Heizwerten von 25 - 30 MJ/kg zu Holzspänen beziehungsweise Holzhackschnitzeln oder Lignocellulose-haltige Biomasse liegt bei 81:19, auch bei 85:15 und auch bevorzugt bei 89:11.
[310] • Das auch Verhältnis von Staub mit Heizwerten von 22 - 25 MJ/kg zu Holzspänen beziehungsweise Holzhackschnitzeln oder Lignocellulose-haltige Biomasse liegt bei 87: 13, auch bei 90:10 und auch bei 93:7.
[311] • Ein Anteil von etwa bis zu 30 Prozent an der Lignocellulose-haltigen-Biomasse kann zum Beispiel durch Tapetenleim ersetzt werden.
[312] • Der Wassergehalt der Holzspäne beziehungsweise Holzhackschnitzel oder anderer Lignocellulose-haltige Biomasse kann dabei um die 12 - 14 Prozent liegen.
[313] • Die Partikel können dabei nicht größer als 2 mm, auch kleiner 1,5 mm und auch kleiner 1 mm sein.
[314] • Den obigen Verhältnissen entsprechend wird Staub mit Torf mit äquivalentem Cellulose- und Lignin-Gehalt zu Pellets verarbeiten.
[315] • Torf kann auch allein bei äquivalentem Cellulose- und Lignin-Gehalt zu Pellets verarbeitet werden.
[316] • Der Staub und Cellulose- und Lignin-haltigen Zusatzstoffe beziehungsweise Torf werden gemeinsam oder allein intensiv vermischt zum Beispiel in einer Schlagnasenmühle mit 2 mm-Conidur-Austragssieb.
[317] • Der Pressdruck liegt über 100 MPa, auch über 120 MPa und auch über 140 MPa.
[318] • Die Verpressungstemperatur beträgt bei etwa 80 Grad Celsius und sollte 90 Grad Celsius nicht übersteigen.
[319] • Die wichtigsten Anpassungen an die Pellets insbesondere gegenüber Pellets aus fossilen Brennstoffen ergeben sich aus den verbesserten Verbrennungseigenschaften und liegen im Bereich des Sinterverhaltens der Kohlenasche, der Ascheabräumungsmethode (in der Regel geringerer Aschegehalt) und der Größe des Brenntellers.
[320] Aus den mittels des anmeldungsgemäßen Verfahrens hergestellten Brennstoffen kann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Anmeldung Energie erzeugt werden. Die Verbrennung der anmeldungsgemäß hergestellten Brennstoffe erfolgt je nach Konditionierung in unterschiedlichen Vorrichtungen:
[321] • In Pelletform wird der Brennstoff in der Regel in Pelletöfen, Pelletkesseln oder Anbaubrennern auch mit automatischer Brennstoffzufuhr verbrannt. In der Regel können handelsübliche Verbrennungsanlagen verwendet werden. Zur Verbesserung der Brenneigenschaften können anmeldungsgemäße Verbrennungsanlagen in folgenden Bereichen an die veränderten Brenneigenschaften angepasst werden:
[322] - Anpassung der Form und Größe des Brenntellers an den Aschegehalt. Da dieser geringer ist, können kleinere Brenntellerdurchmesser zu einer verbesserten Verbrennung führen.
[323] - Zur Verhinderung von Anbackungen am Brennteller, ist eine automatische Vorrichtung zur Entfernung der Asche vom Brennteller zu empfehlen. In der Regel sind die Anbackungen geringer als bei Brennstoffpellets aus natürlich vorkommenden Kohlearten, insbesondere Braunkohle.
[324] • Die Verbrennung des anmeldungsgemäßen Staubs erfolgt in einem Kohlekraftwerk mit mindestens einer Dampfturbine. Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade findet der Verbrennungsprozess bei hohen Temperaturen von über 600 Grad Celsius, bevorzugt über 650 Grad Celsius und besonders bevorzugt über 700 Grad Celsius statt.
[325] • Weitere Effizienzsteigerung im Hochtemperaturbereich sollen durch den Einsatz moderner Kraftwerkstechnologien genutzt werden, so dass eine kombinierter Gas- Dampfturbinenprozess mit höchstmöglichen Effizienzgraden zur Stromerzeugung höher als 43 Prozent, auch höher als 46 Prozent, oder auch 49 Prozent bis 55 Prozent, realisiert wird.
[326] • Für eine Nutzung des Kombiprozesses ist das IGCC-Konzept mit integrierter Kohlevergasung, bevorzugt auch Wirbelschichtfeuerungen, vor allem die druckaufgeladene stationäre Wirbelschichtfeuerung (DWSF) mit Kombiprozess und besonders bevorzugt Kombikraftwerke mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF) geeignet.
[327] • Der Verbrennungsprozess weist eine Gaseintrittstemperatur von > 1.000 Grad Celsius, auch > 1.200 Grad Celsius und auch > 1.400 Grad Celsius, auf.
[328] • Der Hochtemperaturgasreinigung ist so geartet, dass der Partikelgehalt und der
Gehalt an korrosiv wirkenden Inhaltsstoffen, insbesondere Natrium- und Kaliumverbindungen, als auch Schadgasen so weit verringert wird, dass das Rauchgas unmittelbar einer Gasturbine zugeleitet werden kann , bevorzugt unter Ausnutzung der Niedertemperaturplasma-Eigenschaften des Rauchgases.
[329] • Durch den Rauchgasabscheider wird ein Partikelgehalt < 3mg/m3 i.N. bei d < 3 Mikrometer, Alkaligehalt <0,01 mg/m3 i.N. realisiert.
[330] • Ein weiterer Weg zur Erzeugung von Strom bzw. Energie aus Brennstoffen, nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren insbesondere von Staub, ist die Nutzung in einer Kohlenstoff-Brennstoffzelle.
[331] • Synergien können mit anderen Energieträgern und/oder Energieerzeugungsverfahren hergestellt werden durch gemeinsame Nutzung von Vorrichtungen zur Energieerzeugung insbesondere von Turbinen, insbesondere eine Dampf- oder Gasturbine zur Energieerzeugung.
[332] • Zu den erneuerbaren Energien bei denen sich eine gemeinsame Nutzung von
Turbinen und insbesondere von Dampf- oder Gasturbinen anbietet ist das Dispatchable Wind Power System (DWPS). Dabei wird komprimierte Luft in einem Luftspeicher dekomprimiert. Diese Druckluft wird dann zusätzlich in eine ohnehin laufende Turbine eingeleitet.
[333] • Der Wirkungsgrad erhöht sich durch Einleitung der Druckluft in eine ohnehin laufende Turbine um mehr als 20 bis 200 Prozent, auch 40 bis 170 Prozent und auch um 60 bis 150 Prozent.

Claims

Claims
[I] Vorrichtung zur Behandlung von Fest-/Flüssiggemischen, insbesondere von Biomasse, mit mindestens einem Reaktor zur Aufnahme des Fest- /Flüssiggemisches, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung zur Bearbeitung des Fest-/Flüssiggemisches vorgesehen ist.
[2] Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor ein
Rohrreaktor, Kreislaufreaktor, Schlaufenreaktor und/oder Rührreaktor, und/oder vorzugsweise ein Membran- und/oder Wirbelschichtreaktor ist.
[3] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor für Temperaturen von mindestens 100 Grad Celsius und mindestens einem Druck von über 5 bar ausgelegt ist.
[4] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einrichtung eine Prozesswasseraufbereitungsanlage ist.
[5] Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswasseraufbereitungsanlage mindestens ein Prozesswasserreservoir und/oder mindestens ein Fest-Flüssig-Trenngerät umfasst.
[6] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einrichtung eine Mischvorrichtung zum Durchmischen, Rühren und/oder Aufwirbeln des Reaktorinhalts ist.
[7] Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung mindestens einen Flüssigkeitsstrahlmischer, mindestens eine Flüssigkeitspumpe oder mindestens eine Düse oder eine Kombination derselben umfasst.
[8] Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung, insbesondere die Vorrichtungen im Ansaugbereich, derart gestaltet ist, dass die in diesem Bereich auftretenden Turbulenzwirbel und Scherbelastungen die Feststoffe zerkleinern und desagglomerieren.
[9] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor mit einem Temperierungssystem versehen ist.
[10] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus einem zylindrischen Grundkörper besteht und/oder druckfest ausgebildet ist.
[I I] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor einen kegelförmigen Boden aufweist, der mit der Reaktorachse einen Winkel von maximal 45 Grad, kleiner 40 Grad oder kleiner 35 Grad, bildet.
[12] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Reaktors, insbesondere im Boden- bzw. Wandbereich, sowie Armaturen und andere mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommenden Teile ganz oder teilweise oberflächenbehandelt und/oder mit einem Beschich- tungsstoff beschichtet sind, der Anbackungen oder Ablagerungen von Bestandteilen des Reaktionsgemischs verhindert oder verringert.
[13] Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschich- tungsstoff korrosionsfeste, verschleißarme und/oder wasserabweisende Materialien, insbesondere metallische oder keramischen Werkstoffe und Legierungen, bevorzugt aus Chrom, Nickel, Molybdän, Titan, Aluminium, Niobium sowie aus den StoffenSilicium, Eisen, Cobalt, Wolfram, Bor und Kohlenstoff und besonders bevorzugt aus Titan- Aluminium- Verbindungen, umfasst.
[14] Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der
Beschichtungsstoff mittels eines Beschichtungsverfahrens, durch Plattierung, oder durch ein Flammspritzverfahren wie zum Beispiel das High-velocity oxy- fuel (HVOF)-Verfahren, aufgebracht wird.
[15] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Reaktors mindestens ein, oder mehrere, Membranteile angeordnet sind.
[16] Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranteil in Abständen von weniger als 10 mm, weniger als 6 mm, oder weniger als 4 mm, gelocht ist.
[17] Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der
Durchmesser der Löcher in dem Membranteil geringer als 400μm, geringer als lOOμm, oder geringer als 35μm, ist.
[18] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher im Membranteil trichterförmig ausgebildet sind.
[19] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Membranteil und der Reaktorwand mindestens ein Hohlraum vorhanden ist.
[20] Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranteil mit der Reaktorwand derart verbunden ist, dass der Hohlraum in voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist.
[21] Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein
Bereich des Hohlraums mit einer Eintrittsöffnung und mindestens ein anderer Bereich des Hohlraums mit einer Austrittsöffnung versehen ist.
[22] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorwand doppelwandig ausgeführt ist, wobei zwischen einer inneren Wandschicht und einer äußeren Wandschicht mindestens ein Hohlraum an- geordnet ist.
[23] Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wandschichten derart miteinander verbunden sind, dass der Hohlraum in voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist.
[24] Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein
Bereich des Hohlraums mit einer Eintrittsöffnung und mindestens ein anderer Bereich des Hohlraums mit einer Austrittsöffnung versehen sind.
[25] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungs System an mindestens eine Steuereinheit angeschlossen ist.
[26] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungs System mindestens einen Einschraubheizkörper, mindestens eine Heiz- und Kühlschlange, mindestens eine auf die Reaktorwand aufgeschweißte Halbrohrschlange, mindestens eine Wärmeaustauschplatte und/oder mindestens ein Membranteil umfasst.
[27] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungs System eine doppelwangige Konstruktion der Reaktorwand umfasst.
[28] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine im Wesentlichen nicht-mechanische Anordnung ist.
[29] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Zerkleinerungsvorrichtung ist, insbesondere zur Zerkleinerung der festen Inhaltsstoffe im Reaktor, die mindestens eine Mühle und/oder mindestens einen Häcksler umfasst.
[30] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Trocknungsvorrichtung ist, die mindestens einen Kon- vektions- oder Kontakttrockner, oder einen Strom- und/oder Bandtrockner, umfasst.
[31] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fest-Flüssig-Trenngerät vorzugsweise mindestens ein Sieb, einen Filter, einen Hydrozyklon, eine Zentrifuge oder ein kraftfeldunterstütztes Trenngerät umfasst.
[32] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswas Seraufbereitungsanlage aus einer Kombination verschiedener oder gleicher Trennvorrichtungen besteht.
[33] Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswas Seraufbereitungsanlage mindestens eine FiI- teranlage, insbesondere einen Rotations scheibenfilter, oder mit Keramikscheibe, umfasst.
[34] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine biologische Abwasseraufbereitungsanlage ist, die mindestens einen Bioreaktor, oder einen Biomembranreaktor, umfasst.
[35] Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor mindestens einen Schlaufenrektor umfasst.
[36] Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlaufenrektor mindestens eine Düse zur Vermischung der gasförmigen und flüssigen Phase umfasst.
[37] Vorrichtung nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlaufenreaktor ein Rohr umfasst, in dem die Strömung von oben nach unten verläuft.
[38] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine chemische und/oder biologische Luftreinigungsvorrichtung ist, die vorzugsweise mindestens einen Luftfilter umfasst.
[39] Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Reaktoren mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer zirkulierenden Wirbelschicht umfasst.
[40] Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 39zur Herstellung von Brennstoffen, kohlenstoffhaltigen Werk- und Nutzstoffen, Humus und/oder Maillard- beziehungsweise Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukten aus Biomasse.
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